Robotik

Der mit den Drohnen fliegt

Davide Scaramuzza ist Assistenzprofessor für Robotik an der UZH. Er entwickelt Software, mit der sich Räume und Körper dreidimensional erfassen lassen. Damit will er Flugrobotern das autonome Fliegen beibringen. Genutzt wird seine Forschung bald auch von der Game-Industrie.

Adrian Ritter

Den Raum vermessen: Robotik-Professor Davide Scaramuzza teilt sein Büro bisweilen mit Drohnen im Testflug. (Bild: Ursula Meisser)

Die eigene Person realitätsnah in ein Computergame einbauen? Dies könnte in Zukunft dank einer neuen App für das Smartphone einfacher werden: Der Nutzer filmt sich mit der Kamera, die App erstellt daraufhin eine 3-D-Rekonstruktion seines Kopfes. Schon lässt sich das 3-D-Selfie einem Avatar in einem Game aufsetzen. Ein Prototyp der neuen App wird derzeit am Mobile World Congressin Barcelona vorgestellt.

Den Raum berechnen

Besonders erfreut über die baldige Markttauglichkeit der App ist Davide Scaramuzza, seit 2012 Assistenzprofessor für «Human Oriented Robotics» am Institut für Informatik der UZH. In seiner Forschungsgruppe «Robotics and Perception» entstand die Software für die 3-D-App. Scaramuzza ist überzeugt, dass diese auch in Architektur, Ingenieurwesen und Medizin auf Interesse stossen wird: «Einfach zu erstellende und schnell verfügbare 3-D-Rekonstruktionen können dort sehr nützlich sein.» Eine App zur 3-D-Abbildung von kleineren Objekten ist bereits auf dem Markt.

Scaramuzza und sein Team sind drauf spezialisiert, mittels Kameraaufnahmen räumliche Modelle zu berechnen und die Position von Objekten im Raum zu bestimmen. Das lässt sich nicht nur für die 3-D-App nutzen, die das Zürcher Startup Dacuda aufgrund einer Lizenz der Software von Scaramuzza entwickelt hat.

Flieger im Büro

Das Hauptinteresse von Davide Scaramuzza liegt bei einer anderen Anwendung, wie sich beim Besuch seiner Forschungsgruppe an der Andreasstrasse 15 in Oerlikon rasch zeigt. In den Büros sind fast permanent Flugroboter («Quadrotoren») auf Testflug.

Diesen Drohnen will Scaramuzza beibringen, sich autonom fortzubewegen. Seit 2009 verfolgt er dieses Ziel – mit zunehmendem Erfolg. Sein Lösungsansatz: Er befestigt eine Kamera und einen Minicomputer an der Drohne. Die Kamera liefert laufend Bilder der Umgebung, wobei sie kontrastreiche Fixpunkte in der Landschaft fokussiert. Wenn sich die Drohne bewegt, verändern sich diese Fixpunkte. Aus diesen Veränderungen berechnet die von Scaramuzza entwickelte Software die neue Position der Drohne.

3-D-Selfie von Matia Pizzoli, früherer Postdoktorand in der Forschungsgruppe von Davide Scaramuzza: Er hat massgeblich zur Entwicklung der Software beigetragen, welche die Grundlage der App bildet. (Bild: zVg)

Helfer in der Katastrophe

Scaramuzza lässt die Flugroboter nicht zum Vergnügen fliegen. Er will sie fit machen für den Einsatz in Katastrophengebieten, etwa nach einem Erdbeben oder einem Reaktorunfall wie in Fukushima. Die Drohnen sollen Schäden erfassen, Radioaktivität messen und in den Trümmern nach Überlebenden suchen .

Dazu müssen sich die Flugroboter zwingend autonom bewegen können. Dies aus mehreren Gründen: Die Reichweite einer Fernbedienung ist beschränkt und genügt nicht für ein allenfalls weit entferntes und grossräumiges Katastrophengebiet. Das GPS-Netz als Alternative zur Orientierung und Steuerung von Drohnen bietet sich nicht an: Es ist zu unzuverlässig und das GPS-Signal innerhalb von Gebäuden ohnehin nicht zu empfangen.  

Kamera und Software verbessern

Für seine Bemühungen ist Scaramuzza schon mehrfach ausgezeichnet worden, zuletzt 2014 mit dem prestigeträchtigsten Forschungspreis im Bereich Robotik, dem IEEE Robotics and Automation Early Career Award. Für die Zeit von 2015 bis 2019 konnte er nun einen Starting Grant des Schweizerischen Nationalfonds einwerben. Sein nächstes Ziel: Die Drohnen schneller fliegen zu lassen, um im Katastrophenfall mehr Menschenleben zu retten. Dazu müssen sowohl die Kamera wie die Software verbessert werden.

Dazu arbeitet Scaramuzza mit dem UZH-Neuroinformatiker Tobi Delbruck zusammen. Dieser hat ein neuartiges Kamerasystem entwickelt, den «Dynamic Vision Sensor». Ähnlich dem Zusammenspiel von menschlichem Auge und Gehirn sendet dieser Sensor nicht dauernd alle Bildinformationen an den Minicomputer. Weitergeleitet werden nur die sich verändernden Bildpunkte. Dies reduziert die Datenmenge und erlaubt eine schnellere Auswertung der Information. Ob Drohnen mit solchen Sensoren schneller fliegen können, will Scaramuzza jetzt testen.

Gefragte Forschung

Weiter verbessern will seine Forschungsgruppe zudem die Positionsbestimmung von fliegenden oder sich am Boden bewegenden Robotern. Dieser Aufgabe widmet sich Scaramuzza im Rahmen des Projektes «Zurich Eye» am neu gegründeten «Wyss Translational Center Zurich» (WTZ) von UZH und ETH Zürich. Das vom Mäzen Hansjörg Wyss finanzierte Zentrum soll Innovationen aus Medizin und Robotik schneller zum Durchbruch verhelfen.

Auch wenn die Quadrotoren von Davide Scaramuzza noch nicht im Ernstfall im Einsatz sind: An seiner Forschung interessierte Unternehmen und Behörden geben sich derzeit im Büro von Davide Scaramuzza beinahe die Türklinke in die Hand. Die Internationale Atomenergieagentur und das CERN möchten die autonomen Roboter bei Reaktorunfällen beziehungsweise in den radioaktiv belasteten Räumen der Teilchenbeschleuniger einsetzen. Die Europäische Weltraumagentur ist mit Scaramuzza im Gespräch, um Weltraumsonden in Zukunft sicher landen zu lassen. Das Versandunternehmen Amazon schliesslich möchte bald mit der Paketauslieferung mittels Drohnen starten – Drohnen, die im Notfall auch ohne GPS den Heimweg wieder finden.

Adrian Ritter ist Redaktor von UZH News.

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