24.06.2021 09:58 |

Arbeitet vollautonom

KI-Drohne aus Linz findet Vermisste selbst im Wald

Im Vorjahr haben Linzer Forscher eine Drohne vorgestellt, die mit Hilfe Künstlicher Intelligenz (KI) Wärmebilder kombinieren und dadurch vermisste Personen unter starker Vegetation orten kann. Nun präsentieren sie im Fachjournal „Science Robotics“ eine Weiterentwicklung des Systems. Die Drohne führt nun alle Berechnung an Bord durch, fliegt vollautonom und optimiert laufend ihren Flugpfad. Dadurch kann eine vermisste Person auch im dichten Wald rasch gefunden werden.

Vermisste oder Verunglückte werden bei Rettungseinsätzen häufig mit Wärmebildkameras vom Helikopter aus gesucht. In dicht bewaldeten Gebieten sind sie so aber kaum zu finden, weil solche Kameras Bilder aus der Differenz von Körperwärme und Umgebungstemperatur erzeugen. Und entweder verdeckt die Vegetation den Untergrund oder die sonnenbestrahlten Bäume haben eine ähnliche Temperatur wie der Vermisste.

KI rechnet Verdeckungen weg
Oliver Bimber vom Institut für Computergrafik der Universität Linz und sein Team stellten vergangenen Herbst im Fachjournal „Nature Machine Intelligence“ einen Drohnen-Prototypen vor, der eine neue Bildverarbeitungstechnik zum Wegrechnen von Verdeckungen (Airborne Optical Sectioning, AOS) mit KI kombiniert. Dabei werden mehrere einzelne Wärmebilder zu einem Integralbild kombiniert. Dieses wird dann mit Hilfe von Deep Learning-Verfahren klassifiziert - die KI wertet also aus, ob es sich bei dem erkannten Objekt tatsächlich um eine Person handelt.

Die Bildverarbeitungstechnik wird auch bei Radioteleskopen verwendet, wo das Messprinzip synthetischer Aperturen zum Einsatz kommt: Liefert ein einzelnes Teleskop keine gute Signalqualität, werden einfach mehrere davon vernetzt, um rechnerisch ein Signal zu erzeugen, das jenem eines viel größeren Teleskops entspricht.

Der Vorteil dieser Methode beim Einsatz in der Vermisstensuche: Während eine Einzelaufnahme mit einer normalen, nur wenige Millimeter großen Linse eine so hohe Tiefenschärfe hat, dass eine vermisste Person von Bäumen fast vollständig verdeckt ist, hat das Integralbild der künstlich erzeugten großen Linse nur eine ganz geringe Tiefenschärfe. Legt man dann den Fokus auf den Waldboden, wird alles darüber, also etwa die Bäume, unscharf und die vermisste Person erkennbar.

Drohne sucht vollautonom nach Vermissten
Für die im Herbst veröffentlichte Publikation wurden noch alle Berechnungen nach dem Flug am Boden gemacht. Die Drohne flog vordefinierte Wegpunkte ab und wurde nur zur Aufnahme genutzt. Nun ist es den Wissenschaftlern gelungen ihre Bildverarbeitungstechnik maßgeblich zu verbessern.

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Sie ist in der Lage, vollautonom zu fliegen, und selbstständig über ihren Flugweg zu entscheiden.

Oliver Bimber, Institut für Computergrafik der Uni Linz

„Damit können alle Berechnungen in Echtzeit auf der Drohne durchgeführt werden. Sie ist dadurch in der Lage, vollautonom zu fliegen, und selbstständig über ihren Flugweg zu entscheiden“, erklärte Bimber. Die Drohne legt in einem vorgegebenen Suchgebiet ihren Weg während des Fluges dynamisch fest und ändert ihn ständig, je nachdem, was sie „sieht“. „Mit diesem Optimierungsverfahren findet sie die vermisste Person mit höchster Wahrscheinlichkeit in kürzester Zeit selbstständig“, so der Forscher.

Gezeigt wurde das in 17 Feldexperimenten, die über Nadel-, Laub- und Mischwäldern mit unterschiedlichen Lichtverhältnissen, Temperaturen und Jahreszeiten durchgeführt wurden. Die Drohne fand dabei 38 von 42 versteckten Personen - eine noch bessere Erkennungsrate als beim Vorläufersystem.

Forscher wollen nun Verbrenner-Drohne testen
Die Experimente wurden noch mit einem kleinen Octocopter durchgeführt. Doch solche elektrisch betriebenen Drohnen haben eine Flugzeit von nur 30 Minuten, „da kann ich keine großen Suchgebiete abfliegen“. Daher kooperieren die Wissenschaftler mit der oberösterreichischen Firma Stromkind, die Drohnen mit Verbrennungsmotoren im Programm hat, die laut Bimber bis zu sechs Stunden fliegen. In eine solche Drohne wollen die Forscher nun ihr System integrieren. Ein dazu gebildetes Konsortium, dem auch die österreichische und schweizerische Flugrettung, der ÖAMTC und das Innenministerium angehören, ist allerdings jüngst mit einem Antrag bei der Forschungsförderungsgesellschaft FFG gescheitert. Die Suche nach anderen Fördermitteln läuft.

Strikte Regeln in Europa
Zudem müssten noch rechtliche Probleme gelöst werden. So müssen Drohnen in Europa, die außer Sicht und autonom fliegen, bestimmte Auflagen erfüllen. Dazu zählt etwa ein „Flight Termination System“, um den Flug jederzeit sicher abbrechen zu können, oder ein „Traffic Avoidance System“, das andere Flugzeuge erkennt und die Drohne ausweichen lässt. Auch diese Systemkomponenten sollen noch entwickelt werden. Die Forscher stellen jedenfalls zeitgleich mit der Veröffentlichung ihrer Arbeit die gesamte Technologie, also Sourcecode und Daten, für nicht-kommerzielle Nutzung kostenfrei zur Verfügung.

Andreas Birk von der Universität Bremen sieht in einem die Publikation begleitenden Kommentar in „Science Robotics“ „ein erhebliches Potenzial für andere Anwendungen“ der Linzer Entwicklung. Er nennt etwa die Erkennung von Menschen in Trümmern etwa nach Erdbeben oder Explosionen, oder die Überwachung von Wildtieren in Wäldern. Er weist aber auch auf potenzielle militärische Einsätze der Technologie hin.

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