Hochgeschwindigkeitsdrohnen navigieren durch Wälder ohne GPS

Researchers from the HKU Mechatronics and Robotic Systems Lab (MaRS LAB) have introduced a navigation system that enables high-speed drones to detect centimeter-thick items while in rapid flight. The system combines advanced sensors, lightweight drone components, and a new flight path framework to dodge obstacles in real-time while speeding through congested areas. Here’s what you need to know.

Wie Hochgeschwindigkeitsdrohnen entwickelt wurden, um den Flug von Vögeln zu imitieren

Es lässt sich nicht leugnen, dass die Drohnentechnologie in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht hat. Heutige Drohnen können weiter fliegen, mehr Gewicht tragen und mehr Sensoren unterstützen als ihre Vorgänger. Außerdem sind sie viel günstiger in der Herstellung und leichter verfügbar.
Trotz dieser Fortschritte gibt es noch keine Drohne, die die Fähigkeiten eines Vogels bei der Bestimmung von Flugbahnen in Echtzeit unter Berücksichtigung unerwarteter Variablen wie Ästen oder anderen Vögeln erreichen kann. Drohnen können weite Strecken zurücklegen und an präzisen Stellen landen. Dennoch verlassen sich diese Geräte weiterhin auf vorgegebene Flugwege oder externe Sensorinformationen wie GPS, um zu ihren Zielen zu navigieren.

Warum autonome Hochgeschwindigkeitsnavigation eine Herausforderung darstellt

Bisher konnten Forscher nicht herausfinden, wie autonome, sichere und hochgeschwindigkeits Drohnennavigation ohne externe Führung oder vorab kartierte Routen erreicht werden kann. Die Probleme ergeben sich aus mehreren Faktoren, darunter die Notwendigkeit, mehr Sensoren hinzuzufügen, um diese Fluggeräte mehr Hindernisse erkennen zu lassen.

Wenn Sie mehr Sensoren einbauen, ist zusätzliche Rechenleistung erforderlich, um die zusätzlichen Sensordaten zu verarbeiten. Je stärker der benötigte Computer und die Sensoren, desto mehr Gewicht wird der Drohne hinzugefügt, was ihre Fähigkeit, schnell zu fliegen und bei hoher Geschwindigkeit stabil zu bleiben, verringert.

Glücklicherweise könnten diese Einschränkungen von einem Team einfallsreicher Köpfe aus dem Department of Mechanical Engineering der Faculty of Engineering an der University of Hong Kong (HKU) überwunden worden sein.

Studienübersicht: Sicherheitsgarantierte Navigation für Hochgeschwindigkeitsdrohnen

Der Wissenschaftler Yunfan Ren und ein Team von Ingenieuren veröffentlichten¹ die Safety-assured high-speed navigation for MAVs kürzlich in Science Robotics. Die Studie wirft ein Licht auf eine nächste Generation autonomer Flugtechnologie, die Drohnen und Mikro‑Luftfahrzeuge (MAVs) befähigen soll, komplexe Umgebungen mit Höchstgeschwindigkeit ohne externe Sensoren zu durchfliegen.

Was ist die SUPER‑Drohne? Spezifikationen und Merkmale

Die SUPER‑Drohne ist ein kompakter MAV, der speziell entwickelt wurde, um das neue Flugpfadsystem der Ingenieure zu demonstrieren. Das Gerät wurde von Anfang an leicht und agil konzipiert. Es verfügt über ein kompaktes Formfaktor mit einem Radstand von 280 Millimetern und Mikro‑Computer‑Elementen, die ihm ein beeindruckendes Schub‑zu‑Gewicht‑Verhältnis von +5,0 und ein Startgewicht von 1,5 kg verleihen. Diese Faktoren ermöglichen es der SUPER, mit +20 Metern pro Sekunde zu fliegen und dabei Hindernisse zu umfliegen.

Quelle – University of Hong Kong

Leichtgewichtige Berechnung für Hochgeschwindigkeitsleistung

Im Kern der SUPER befindet sich ein Miniaturcomputer, der Sensordaten überwachen und berechnen kann. Die leichte Platine bietet dem Fluggerät mehr Flugzeit und verbessert seine Fähigkeiten im Vergleich zu Vorgängern. Darüber hinaus kann der Flugcomputer bei Bedarf Wegpunkte, GPS und andere Formen externer Navigation unterstützen.

Wie LiDAR und Sensoren den autonomen Flug steuern

Die an Bord befindliche Sensorsuite ermöglicht es dem Fluggerät, unter verschiedenen Bedingungen mit hoher Leistung zu operieren. Das Gerät integriert einen leichten 3D‑Light‑Detection‑and‑Ranging‑Sensor (LIDAR), der Gegenstände so dünn wie einen Zweig aus einer Entfernung von +70 Metern erkennen kann. Bemerkenswert ist, dass die LIDAR‑Daten direkt als Punktwolken entlang der Route eingegeben werden. Dieser Ansatz liefert dem Flugpfad‑Computer wesentlich schnellere Eingabe‑ und Reaktionszeiten.

Echtzeit‑Flugpfadplanung und Anpassungen

Die Ingenieure verfolgten einen einzigartigen Ansatz bei der Flugplanung. Das System scannt beispielsweise kontinuierlich und aktualisiert die Flugwege des Fluggeräts. Der neue Flugpfad‑Koordinator erstellt zwei verschiedene Pfade als Optionen für die Drohne. Der erste Pfad ist die klarste Route, während der zweite Pfad unbekannte Vektoren enthält. Anschließend nutzt der Computer Echtzeit‑Daten, um die Muster je nach Situation anzupassen.

Testen der Hochgeschwindigkeits‑Dronennavigation in realen Umgebungen

Die Ingenieure führten mehrere Tests durch, um sicherzustellen, dass ihre Hochgeschwindigkeitsdrohnen wie vorhergesagt funktionieren. Sie führten mehrere Flugtests durch, bei denen das Gerät komplexes Terrain navigieren musste. Zusätzlich nutzten die Ingenieure verschiedene Lichtbedingungen, einschließlich völliger Dunkelheit, um zu prüfen, wie die Sensorleistung beeinflusst wird.
Interessanterweise wählte das Team mehrere Standorte für die Testphase aus. Die Testorte reichten von Innenräumen in Büros bis hin zu dichten Wäldern im Freien. In einem Test wurde das Gerät nachts durch einen Wald geschickt. Um diese Aufgabe zu bewältigen, musste das Gerät Hindernisse in Echtzeit scannen, registrieren und navigieren, während es mit hoher Geschwindigkeit flog.

Wichtige Ergebnisse aus den Hochgeschwindigkeits‑Drohnenversuchen

Die Hochgeschwindigkeitsdrohne erreichte in mehreren Szenarien autonome Flüge. Sie konnte Geschwindigkeiten von +20 Metern pro Sekunde erreichen und gleichzeitig komplexe Umgebungen navigieren. Obwohl nicht perfekt, verzeichnete das System mit der neuen Methode eine 35‑fache Reduzierung der Flugausfallraten. Außerdem dauerte die Einrichtung des Flugpfads nur die Hälfte der Zeit, und das Gerät flog schneller als herkömmliche Drohnen in denselben Testszenarien.

Vorteile fortschrittlicher Hochgeschwindigkeits‑Drohnen‑Technologie

Es gibt viele Vorteile von Hochgeschwindigkeitsdrohnen, die autonom durch dichtes Luftraum navigieren können. Zum einen können sie in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Agilität und sichere Navigation für den Erfolg einer Mission entscheidend sind. Diese Geräte können Entscheidungen in Bruchteilen einer Sekunde treffen, die es ihnen ermöglichen, den besten Weg zu bestimmen, um einem herannahenden Objekt auszuweichen und auf Kurs zu bleiben.

Vereinfachung der Drohnenprogrammierung mit an Bord befindlicher Intelligenz

Die Bestimmung eines sicheren Flugwegs für Drohnen war stets ein Problem. Da der Luftverkehr zunimmt und Drohnenrouten komplexer werden, erfordert die Erstellung von Flugwegen noch mehr Aufwand. Die in der Studie vorgestellten autonomen Systeme könnten diese Zeiten verkürzen, da das Fluggerät in der Lage wäre, bei Bedarf in Echtzeit Flugwegänderungen vorzunehmen.

Echte Anwendungsfälle und Zeitplan für Hochgeschwindigkeitsdrohnen

Es gibt eine lange Liste von Anwendungsmöglichkeiten für agile autonome MAVs (Miniatur‑Luftfahrzeuge). Diese Geräte werden die Tür zu einem neuen Maß an Komfort und Reaktionsfähigkeit öffnen. Von Einsatzkräften, die diese Geräte zur Suche von Überlebenden einsetzen, bis hin zu E‑Commerce‑Seiten, die Ihre Pakete liefern, gibt es zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für diese High‑Tech‑Geräte.
Diese Hochgeschwindigkeits‑Drohnen‑Technologie könnte innerhalb des nächsten Jahres oder sogar früher eingesetzt werden. Mehrere Länder streben danach, globale Akteure im Drohnenmarkt zu werden. Diese Technologie wird mit offenen Armen empfangen werden, da Ingenieure Drohnen intelligenter und bewusster machen wollen. Sie können damit rechnen, dass die militärische Integration in den nächsten 2 Jahren erfolgt, während kommerzielle Anwendungen den Markt in den nächsten 5 Jahren erreichen werden.

Autonome Drohnen in Such‑ und Rettungsmissionen

Eine der wichtigsten Anwendungen für diese autonomen Fluggeräte wird die Unterstützung bei Such‑ und Rettungsmissionen sein. Diese Geräte können nach einer Katastrophe autonom Trümmer erkunden und menschliche Überlebende lokalisieren. Sie können Nachschub und andere dringend benötigte Hilfe anfordern, die ebenfalls per Drohne zum Standort des Überlebenden geliefert werden kann, bis menschliche Hilfe eintrifft. Langfristig könnte das Konzept zu Drohnen ausgebaut werden, die Überlebende direkt in Sicherheit transportieren.

Wie Hochgeschwindigkeitsdrohnen die Drohnenlieferung revolutionieren könnten

Unternehmen wie Amazon (AMZN ) haben seit Jahren die Drohnenlieferung angedeutet. Das Konzept hat sich jedoch als weitaus schwieriger erwiesen als zunächst angenommen. Diese neueste Entwicklung sollte dazu beitragen, die Technologie voranzutreiben, da die Geräte ihren Flugweg anpassen können, um die Leistung zu optimieren. Folglich könnte die Lieferung am nächsten Tag zur Norm werden.

Einsatz autonomer Drohnen zur Infrastrukturüberwachung

Brücken, Straßen und andere wichtige Infrastrukturen in gutem Zustand zu halten, ist eine gewaltige Aufgabe, die ständige Überwachung erfordert. Der Einsatz autonomer Drohnen könnte den benötigten Personalaufwand reduzieren und gleichzeitig die Fähigkeiten derjenigen verbessern, die für die Überwachung dieser essenziellen Anlagen verantwortlich sind. In Zukunft werden Drohnen Schlüssel‑infrastrukturen scannen und Inspektoren auf potenzielle Gefahren hinweisen, bevor sie zu Problemen werden.

Umweltüberwachung mit autonomen Drohnen

Ein weiteres Gebiet, in dem autonome Drohnen einen großen Unterschied machen könnten, ist die Umweltüberwachung. Diese Systeme können so eingerichtet werden, dass sie automatisch Routen abfahren und Änderungen in der Umwelt registrieren. Dieser Ansatz bietet Umweltschützern ein neues Bewusstseinsniveau und kann Wissenschaftlern helfen, den Zustand des Planeten im Blick zu behalten.

Drohnen‑Schwärme für Erkundung und Datensammlung

Viele sehen autonome Drohnenschwärme als eine der besten Methoden, neue Gebiete zu entdecken und zu kartieren. Dieser Ansatz eliminiert die Risiken für Entdecker und liefert Echtzeit‑Daten, die Forscher auswerten und daraus die nächsten besten Schritte ableiten können. Bereits jetzt haben autonome Drohnen in der Kartierungsbranche eine entscheidende Rolle gespielt, indem sie schwer zugängliche Orte wie den Meeresboden erfassen.

Forscher von Hochgeschwindigkeitsdrohnen

Yunfan Ren war der Hauptautor des Forschungsberichts über Hochgeschwindigkeitsdrohnen. Er erhielt Unterstützung von Professor Fu Zhang und einem Team von Forschern aus dem Department of Mechanical Engineering der Faculty of Engineering an der University of Hong Kong (HKU).

Zukünftige Entwicklungsziele für Hochgeschwindigkeitsdrohnen

Der Wettlauf, die Reichweite, Geschwindigkeit und Rechenleistung der SUPER zu verbessern, ist in vollem Gange. Das Team wird nun versuchen, die Grenzen der SUPER zu erweitern, um das Fluggerät leichter, agiler, mit längeren Flugzeiten und fähig für schwerere Nutzlasten zu machen. Außerdem wollen die Ingenieure den MAV weiter miniaturisieren, um ihn in mehr Szenarien einsetzen zu können.

Investitionen in den Drohnensektor

Der Drohnenmarkt ist ein schnell wachsender Sektor, der weltweit Konkurrenz hat. Besonders bemerkenswert ist, dass Chinas DJI den Löwenanteil des Drohnenmarktes hält. Dennoch haben viele Unternehmen das Potenzial, die Branche mit ihren neuen Produkten und Geschäftsmodellen zu verändern. Hier ist ein Unternehmen, das für den Erfolg positioniert ist.

EHang 

Ehang (EH ) trat 2014 in die Drohnenindustrie ein, um Passagierdrohnen zur Realität zu machen. Das Unternehmen bleibt entscheidend dabei, Drohnen von reinen Werkzeugen zu einer zuverlässigen Transportform zu entwickeln. Zu diesem Zweck hat es mehrere Errungenschaften erzielt, darunter den Start des weltweit ersten personenbefördernden Autonomous Aerial Vehicle (AAV).

Im Jahr 2018 schloss Ehang mehrere hochwertige Partnerschaften und Entwicklungsvereinbarungen. Bemerkenswert ist, dass eine dieser Vereinbarungen die Zusammenarbeit mit der Stadt Lyon, Frankreich, an einem Lufttaxi‑Protokoll umfasste. Eine weitere Partnerschaft mit der österreichischen Luft- und Raumfahrtgruppe FACC zielte darauf ab, die Fähigkeiten und Sicherheit von Passagierdrohnen zu verbessern.