Robert Klatt
Schwärme von winzigen Drohnen können auch in komplexen Umgebungen automatisch gefährliche Gaslecks finden.
Delft (Niederlande). Industrieanlagen sind häufig so komplex, dass kleinere Gaslecks nur schwer gefunden werden können. Aktuell müssen dazu Menschen mit Spürgeräten den verschlungenen Leitungssystemen und engen Zwischenräumen manuell untersuchen. Dies ist sehr zeitintensiv und in vielen Fällen auch gefährlich. Bisher konnte die Aufgabe aber noch nicht vollständig an Roboter abgegeben werden, weil künstliche Sensoren Änderungen der Gaskonzentration nur schlecht erkennen. Hinzukommt, dass Roboter und Drohnen mit entsprechenden Sensoren bisher relativ groß waren und daher nicht alle Bereiche erreichen konnten.
Nun haben Wissenschaftler der Technischen Universität Delft ein neues System entwickelt, bei dem statt eines einzelnen Suchgeräts viele kleine Einheiten gemeinsam nach Gaslecks suchen. „Wir sind überzeugt, dass Schwärme von winzigen Drohnen ein vielversprechender Weg für die autonome Lokalisierung von Gasquellen sind. Denn die geringe Größe ermöglicht es ihnen, auch unter beengten Verhältnissen zu fliegen und komplexe Umgebungen dreidimensional zu erkunden“, erklären die Forscher um Guido de Croon. Der Einsatz eines Schwarms ermöglicht es überdies durch unterschiedliche Positionen Konzentrationsgefälle genauer zu erfassen und damit die Gasquelle leichter aufzuspüren.
Besonders herausfordernd war bei der Entwicklung der Drohnen deren geringe Größe. Inspiration fanden die Wissenschaftler in der Natur. „Tatsächlich gibt es zahlreiche biologische Beispiele für eine erfolgreiche Navigation und Geruchsquellenlokalisierung bei stark beschränkten Kapazitäten. Denken Sie nur daran, wie Fruchtfliegen mit ihren winzigen Gehirnen von nur etwa 100.000 Neuronen zielsicher die Bananen in Ihrer Küche lokalisieren. Obwohl wir diese Verhaltensweisen nicht direkt kopieren konnten, haben wir ihnen ähnlich einfache Verhaltensweisen beigebracht, um die Aufgabe zu bewältigen“, erklärt Bart Duisterhof.
Der Schwarm der jeweils nur zwölf Zentimeter breiten und 37,5 Gramm schweren Drohnen wird von einer Künstlichen Intelligenz (KI) kontrolliert, die die Navigation und die Kommunikation übernimmt. Das grundsätzliche Verhalten der Drohnen wird dabei von dem sogenannten Sniffy Bug Algorithmus gesteuert. Es handelt sich dabei um einen speziellen Algorithmus, der die Quadrocopter so verteilt, dass diese sich gegenseitig ausweichen und nicht mit Hindernissen in der Umgebung kollidieren.
Sobald eine einzelne Drohe ein Gasleck erkennt, wird das Kollektivverhalten durch einen weiteren Algorithmus übernehmen. Dieser sorgt dafür, dass die Drohnen sich abstimmen und die Gasquelle systematisch einzukreisen. Einzelne Drohnen müssen hier nur die Gaskonzentration messen, nicht aber die Windrichtung oder den Gaskonzentrationsgradienten.
In Praxistests konnten die Drohnen-Schwärme bereits in komplexen Umgebungen erfolgreich Gaslecks erkennen. Bis das Produkt in der Industrie verwendet werden kann, sind laut de Croon aber noch Optimierungen nötig. Diese betreffen vor allem die Navigationsfähigkeiten des Schwarms.
„Unsere Arbeit zeigt, dass Schwärme von winzigen Drohnen sehr komplexe Aufgaben erfüllen können. Wir hoffen, dass diese Arbeit eine Anregung für andere Robotikforscher darstellt, diese Art von künstlicher Intelligenz in ihre Entwicklungen im Bereich autonomes Fliegen einzubeziehen“, erklärt de Croon.
