Dezentrale Drohnensteuerung ohne Mobilfunk Wie Mesh-Netzwerke dabei helfen, Drohnenschwärme zu steuern

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Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS

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Drohnenschwärme können den Fortschritt auf Großbaustellen kontrollieren, abgelegene Offshore-Windenergieparks überwachen und nach Überlebenden einer Naturkatastrophe suchen. Kommen mehrere Drohnen zum Einsatz, müssen sie bislang über Mobilfunk zentral gesteuert werden. An einer dezentralen, weniger störanfälligen und gleichzeitig flexibleren Lösung arbeiten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen (IIS).

Drohnen, die in einem Schwarm auftreten, können unterschiedliche Aufgaben übernehmen und untereinander Informationen austauschen. Bislang werden zivile Drohnenschwärme häufig zentral über eine Mobilfunkanbindung gelenkt. Im Hinblick auf autonome Einsätze können die einzelnen Drohnen somit lediglich sternförmig miteinander kommunizieren, über einen zentralen Knotenpunkt – in der Regel einen Mobilfunkmast. Ist dieser Knotenpunkt jedoch beschädigt, etwa als Folge einer Naturkatastrophe, entfällt die Möglichkeit, sich im Schwarm auszutauschen. Das erschwert zum Beispiel die Suche nach Überlebenden, da der Schwarm nicht mehr kooperativ arbeiten kann.

Mesh-Netzwerke ermöglichen Informationsaustausch im Schwarm

An einer Lösung arbeiten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen: „Wir entwickeln ein mobiles Ad-hoc-Mesh-Netzwerk, in dem mehrere Drohnen dezentral miteinander verbunden sind und beispielsweise über Bluetooth kommunizieren“, erklärt Dr. Manuel Schrauth, Gruppenleiter im Bereich Kommunikationssysteme am Fraunhofer IIS. Der Informationsaustausch läuft im Schwarm folglich nicht mehr sternförmig ab, sondern vollständig dezentral – falls erforderlich also über mehrere Knotenpunkte hinweg. „Die einzelnen Drohnen können sich so auch dann noch miteinander austauschen, wenn keine äußere Kommunikationsanbindung vorhanden ist – ein entscheidender Vorteil, wenn man bedenkt, dass nur ein Bruchteil der gesamten Erdoberfläche über eine gute Mobil-

anbindung verfügt.“

Hochdynamische, dezentrale Netzwerke gibt es bislang hauptsächlich im militärischen Bereich, wo die Technologie teuer, groß und nur für schwere Drohnen geeignet ist. Im sogenannten Ultra-Low-Power-Bereich existieren noch keine geeigneten Mesh-Netzwerke. „Da die Verbindung zum Beispiel über Bluetooth laufen kann, ist unsere Technologie sehr günstig und energiesparend“, so Manuel Schrauth. „Sie eignet sich daher für kleine, leichte Drohnen, wie sie im zivilen Bereich vorkommen.“

Die Idee für die Entwicklung äußerst energiesparsamer Ad-Hoc-Mesh-Netzwerke entstand in Projekten der sogenannten GAIA-Initiative: Gemeinsam mit einem interdisziplinären Konsortium arbeiten Schrauth und sein Team dort an satellitengestützten Tiersendern für Geier in Namibia, die dezentral untereinander kommunizieren können. So kann das Forscherteam das Verhalten der Tiere analysieren – und unter anderem Rückschlüsse auf Umweltveränderungen ziehen.

Stetiger Informationsaustausch – auch ohne Mobilfunk

Auf diesem Wissen baut das Team nun die Vernetzung von Drohnenschwärmen auf: Dafür entwickeln die Forschenden ein tabellenbasiertes System. Die einzelnen Drohnen, die jetzt als Knotenpunkte fungieren, senden in regelmäßigen Abständen sogenannte Heartbeats, in der Fachsprache auch Advertisements genannt, aus. Vergleichbar sei das mit Bluetooth-Kopfhörern, die, während sie nach kopplungsbereiten Geräten suchen, blinken und das Signal „Ich bin hier“ aussenden, so Schrauth.

Sobald sich zwei Knoten gegenseitig registriert haben, vervollständigen sie ihre jeweiligen Tabellen: Dort halten sie fest, welche anderen Geräte gesichtet wurden. Geschieht dieser Prozess alle paar Sekunden, lässt sich eine beinahe vollständige Kenntnis über das gesamte Netzwerk aufbauen. Obwohl jeder einzelne Knoten lokal nur über unvollständige Informationen verfügt, lässt sich ein Datenpaket sukzessive ausbreiten, so Schrauth: „Sucht etwa Knoten Nummer eins Knoten Nummer sieben, kann er die Information an den nächstgelegenen Punkt, Knoten zwei, weitergeben, dieser wiederum an Knoten drei und so weiter. Ein Datenpaket hangelt sich also über mehrere Knoten hinweg immer weiter bis zum Ziel, die nötigen Informationen werden iterativ zusammengebaut.“

Aufgabenteilung dank dezentraler Kommunikation

Für die Nutzenden wird sich die Kommunikation im Schwarm laut Schrauth später wie eine Eins-zu-Eins-Verbindung anfühlen. Dank der neuen Technologie könnten in der Praxis künftig mehrere Drohnen automatisch aus einem Koffer starten, im Mesh-Netzwerk eine gegebene Formation bilden, damit die Reichweite des Schwarms erhöhen und ihre unterschiedlichen technischen Stärken nutzen, um etwa eine dreidimensionale Karte anzufertigen.

Dass die Technologie funktioniert, haben die Forschenden in einer Simulation bereits gezeigt, nun möchten sie sie auf kommerzielle Hardware übertragen. Aktuell laufen im Labor Untersuchungen mit Bluetooth-Geräten, die Daten über mehrere Knoten hinweg verarbeiten.

Einen Prototyp der Technologie wird die Projektgruppe voraussichtlich kommendes Jahr präsentieren, erste Ergebnisse zeigen Manuel Schrauth und sein Team auf der diesjährigen ILA.(sg)

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