Wissen: Hinderniserkennung von Drohnen – Systeme & Funktion

Moderne Drohnen verfügen über eine Hinderniserkennung, um dem Piloten ein möglichst sicheres Flugerlebnis zu bieten. In diesem Artikel erklären wir dir, welche verschiedenen Technologien es gibt und was du bei der Verwendung dieser Assistenzsystem beachten musst.

Hindernisse automatisch zu erkennen und vor einem Zusammenstoß abzubremsen oder gar autonom den Flugpfad zu ändern ist eine der wichtigsten Funktionen von modernen Drohnen, damit auch Anfänger Multicopter sicher in der Luft halten können.

Aber nicht nur im Hobby-Bereich ist „Sense and Avoid“ – das ist der englische Begriffe dafür – eine Grundvoraussetzung. Vor allem in der Drone Delivery Branche (also der Lieferung von Waren und Gütern durch die Luft) spielt die Hinderniserkennung eine wichtige Rolle, um autonome Drohnen sicherer zu machen.

Hinderniserkennung vs. Kollisionsvermeidung

Unterschieden werden muss dabei zwischen zwei Begriffen: Der Hindernisserkennung und der Kollisionsvermeidung. Beide Dinge sind eng miteinander verwoben, jedoch nicht dasselbe.

Die Hinderniserkennung sorgt dafür, dass die Drohne in der Lage ist, ihre Umwelt wahrzunehmen. Das muss nicht unbedingt ein 360°-Rundumblick sein, die meisten Drohnen arbeiten mit nach vorne und nach unten gerichteter Hinderniserkennung.

Auf Basis dieser Informationen kann dann, sobald ein Hindernis erkannt wurde, die Kollisionsvermeidung als Konsequenz des erkannten Objektes aktiviert werden.

In seiner einfachsten Form sorgt die Hinderniserkennung bei einer sich bewegenden Drohne dafür, dass die Drohne vor dem Hindernis zum stehen kommt und dieses nicht berührt.

Schwebt die Drohne lediglich vor sich hin, so stellt dich Kollisionsvermeidung sicher, dass sich die Drohne gar nicht erst in die Richtung des Hindernisses bewegen kann. Dafür sind bestimmte Abstände eingestellt, die die Steuerung zu Objekten in der Umgebung der Drohne einhält bzw. einzuhalten versucht.

Die Ausbaustufe der Kollisionsvermeidung ist die proaktive Änderung des Flugpfades um das Hindernis herum. Dazu muss die Drohne autonom einen neuen Weg berechnen, der entweder seitlich, über oder unter dem Hindernis vorbei führt. DJI hat beispielsweise mit seinem Advanced Pilot Assistent System (APAS) eine solche Technologie bereits in seine Consumer Drohnen integriert.

Ist eine automatisches Umfliegen des Hindernisses nicht möglich, so greift natürlich in der Regel die einfache Form der Kollisionsvermeidung und die Drohne wird vor dem Zusammenstoß bestmöglich abgebremst.

Verschiedene Sensoren im Überblick

Damit sich eine Drohne überhaupt ein Bild von ihrer Umgebung machen kann und in der Lage ist, Objekte in ihrem Flugpfad zu erkennen, sind verschiedene Sensoren notwendig. Deren Informationen werden durch einen Computer zu einem digitalen Abbild des Umfeldes verarbeitet, welches dann in Echtzeit ausgewertet wird.

Wir wollen im Folgenden auf die verschiedenen Sensoren eingehen, die heute zur Hinderniserkennung zum Einsatz kommen.

Sichtkameras

Sichtkameras sind mittlerweile der meist genutzte Sensortyp zur Navigation von Drohnen. Was vor ein paar Jahren noch undenkbar war, ist heute aufgrund der extrem gestiegenen Rechenleistung kleiner Computer Standard: In Echtzeit werden mehrere Kamerabilder kombiniert und von der Drohne auf potenzielle Hindernisse und Objekte innerhalb des aktuellen Flugpfades analysiert.

Sichtkameras kommen dabei häufig in alle Richtungen zum Einsatz, um möglichst eine Rundumabdeckung zu gewährleisten.

Im Gegensatz zu anderen Sensortypen sind Drohnen durch Kameras in der Lage einzelne Objekte zu erkennen. So erkennt die Drohne nicht nur das etwas da ist, sondern weiß auch, was sie vor sich hat.

Die Kameras können dabei in verschiedensten Anordnungen in die Drohne integriert werden. Beispiele sind hier Stereopaare, die in jeweils eine Himmelsrichtung schauen. Moderne Drohnen setzen aber auch Kameras mit einem größeren Field of View (Weitwinkelobjektiv) an den Ecken ein. So können zwei Seiten gleichzeitig abgedeckt werden. Beispiele für diese Form der Anordnung wären die DJI Air 2S (zum Testbericht) oder die DJI Mavic 3 (zum Testbericht).

Des Weiteren gibt es Drohnen, bei denen die Kameras nicht in spezielle Richtungen ausgerichtet sind, sondern nach oben und unten zeigen. Durch einen großen Blickwinkel von annähernd 180° pro Kamera (Fischauge) wird so mit mehreren Kameras (meist je drei Kameras auf Ober- und Unterseite) ein gesamtheitliches Abbild der Umgebung generiert.

Infrarotsensoren

In Kombination mit Sicherkameras kommen trotzdem häufig IR-Sensoren (Infrarot) zum Einsatz. Dieser Sensortyp kann Hindernisse auf kurze Distanzen (einige Meter) erkennen. Im Gegensatz zur Kamera ist IR vor allem dann im Vorteil, wenn diffuse Objekte erkannt werden müssen. Das können zum Beispiel Oberflächen oder feine Äste von Bäumen sein.

Drohnen verwenden IR-Sensoren vor allem nach oben und nach unten gerichtet, um eine genaue Landung zu ermöglichen oder aber um Zusammenstöße mit Hindernissen oberhalb der Drohne zu vermeiden.

Ultraschallsensoren

Eine heute nur noch eher selten eingesetzte Sensortart ist der Ultraschallsensor. Dieser Sensor erlaubt ebenfalls das Abtasten von Räumen. In relativ frühen Drohnenmodellen mit Hinderniserkennung wurden Ultraschallsensoren ähnlich eingesetzt wie heutige IR-Sensoren

Besonders das Halten eines definierten Abstandes zu einer Oberfläche funktioniert mit Ultraschallsensoren sehr gut.

LiDar-Sensor

Industrielle Drohnen, die vor allem in geschlossenen Bereichen geflogen werden (Minenschächten, Industrieanlagen), sind außerdem oft mit LiDar-Sensoren ausgestattet.

LiDar steht für light detection and ranging und bezeichnet eine Technologie, bei der der umliegende Raum mithilfe von Licht- oder Laserstrahlen sehr genau vermessen wird. Dazu rotiert ein Lichtstrahl mit mehreren hundert Umdrehungen pro Minute, während ein entsprechender Sensor die Reflexion des Lichts aufzeichnet.

Die Drohne ist so in der Lage, eine sehr genaue Karte ihrer Umgebung anzufertigen, die dann zur Navigation genutzt werden kann. Das Prinzip kommt zum Beispiel auch bei hochwertigen Staubsaugerrobotern zum Einsatz, um eine saubere Navigation zu gewährleisten.

Der Mix macht es aus

Häufig finden sich bei aktuellen Drohnenmodellen direkt mehrere Typen an Sensoren wieder. Das hat vor allem etwas mit der Komplexität des jeweiligen Produktes zu tun und somit auch einen Zusammenhang mit den Herstellungskosten.

Denn bestimmte Sensortypen (z.B. IR-Sensoren) sind günstiger zu beziehen, als beispielsweise Kameras. Außerdem braucht eine Drohne deutlich mehr Rechenleistung an Bord, um ein Kamerabild auszuwerten, als beispielsweise die Daten eines IR-Sensors zu interpretieren.

Es wundert daher kaum, dass die Anzahl der verbauten Kameras mit steigendem Preis der Drohne häufig zunimmt. Natürlich ist irgendwann ein sinnvolles Maß an Sensoradeckung erreicht, sodass eine mehrere tausend Euro teure Drohne nicht 25 Kameras um sich herum verteilt haben wird (wir übertreiben mal absichtlich).

Wie zuverlässig sind moderne Drohnen?

Die Zuverlässigkeit der Hinderniserkennung und Kollisionsvermeidung moderner Drohnen ist mittlerweile schon sehr gut. Je mehr verschieden Sensorsysteme eine Drohne nutzen kann, um sich ein Bild ihrer Umwelt zu machen, desto mehr Daten haben die Algorithmen an Bord zur Verfügung, um intelligente Entscheidungen zu treffen.

Wie bei allen Assitenzsystemen gilt im Drohnenbereich aber genau so wie im Automobilbereich: Schön zu haben, aber (noch) kein Ersatz für den Menschen.

Damit wollen wir aktuellen Drohnen-Modellen nicht ihre teilweise bereits beeindruckenden autonomen Flugfähigkeiten absprechen – diese sind ohne Zweifel bereits vorhanden. Weitere Informationen zu verschiedenen Leveln des autonomen Drohnenfluges, findet ihr hier.

Es geht viel mehr darum, dass sich Drohnenpiloten nicht vollständig auf die Funktion ihrer Assistenzsystem verlassen dürfen. Wer eine Drohne fliegt, sollte die auch bei Ausfallen eines oder mehrere Systeme noch sicher in der Luft halten können.

Es ist daher dringend angeraten, die einzelnen Assistenten in einer sicheren Umgebung in Ruhe zu testen und ihre Funktionsweise kennenzulernen, um zu wissen, auf welche Technik man sich in welcher Situation verlassen kann und welche Funktion besser abgeschaltet bleibt.

Welche Drohne können das?

Einfache Hinderniserkennung (in eine oder zwei Richtungen) wird bereits von Drohnen der Einsteigerklasse unterstützt. Eine Vertreterin ist hier die bereits betagte DJI Spark*, die nach vorne gerichtete IR-Sensoren hat und nach unten mit Sichtkameras arbeitet. Die neue DJI Mavic Mini, die DJI Mini 2 (zum Testbericht) und die DJI Mini 3 (ohne Pro) haben hingegen nur einen „Optical Flow Sensor“, also eine nach unten gerichtete Kamera, die der Positionierung dient. Die DJI Avata ergänzt dieses Flow-Sensoren um einen IR-Sensor am Boden.

Anders ist es bei der DJI Mini 3 Pro (zum Testbericht), die erstmals eine dreiseitige Erkennung von Hindernissen in das Sub-250g-Segment von DJI bringt. Autel macht es mit der EVO Nano (Plus) Serie ganz ähnlichen und deckt ebenfalls Front, Heck und die Unterseite mit Kamerasensoren ab.

Teurere Drohnen sind dann oft mit vier-, fünf oder gar sechsseitiger Hinderniserkennung ausgestattet.

Beispiele für Drohnen mit allseitiger Erkennung (sechsseitig) sind Beispielsweise die DJI Mavic 2 Serie* oder die Skydio R1 Drohne*.

Die Mavic 2 Serie hat dazu zwei Kameras in der Front, zwei Kameras auf der Rückseite, eine Kamera an jeder Seite, zwei Kameras auf der Unterseite, ein IR-Sensore auf der Unterseite und einen IR-Sensor auf der Oberseite.

Die Skydio R1 Drohne geht einen anderen Weg und verwendet 13 einzelne Kameras für eine Rundumabdeckung durch Sichtkameras. Die Skydio 2 Drohne hat weniger Kameras, dafür aber fast 180° Blickwinkel pro Kameramodul.

Neuere Modelle, wie die Skydio 2+ setzt auf je drei Kameras an der Ober- und Unterseite. Bei der Mavic 3 Serie sowie der DJI Air 2S verlagert DJI die Kameras an die Ecken der Drohne. So behalten die Sensoren sowohl einen Teil der Seiten, als auch der Vorder- bzw. Rückseite im Blick. Dieses Prinzip übernimmt DJI auch bei der Mavic 3 Classic und der Mavic 3 Pro. Die DJI Air 3 erbt das Sensor-Design der Mavic 3 Serie, verzichtet jedoch auf die direkt nach oben schauenden Kameras auf dem Rücken.

Die DJI Mini 4 Pro nutzt vier Weitwinkelkameras und zwei Kameras am Boden (plus einen IR-Sensor), um eine allseitige Sicht auf ihre Umwelt zu erlangen.

Bei der DJI Inspire 3 Kinodrohne passen hingegen neun einzelne Kameras auf die Umwelt der Drohne auf. Vier davon sitzen direkt in den Ecken des Landegestells. Zwei weitere decken jeweils die Ober- und Unterseite ab.

Für die DJI Avata 2 FPV-Drohne hat DJI die Hinderniserkennungsfähigkeiten auf der Rückseite ergänzt. Möglich wird dies durch zwei Weitwinkelkameras, die sowohl den Boden als auch den Rücken überwachen.

Schlusswort

Wir hoffen, dir hat dieser Artikel zum Thema Hinderniserkennung bei Drohnen geholfen und die hast nun einen besseren Überblick, welche Arten von Flugsystemen es gibt und auf welchen Sensortypen diese aufgebaut sind.

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