Sie bauen gewundene Mauern, spielen sich gegenseitig Bälle zu, fliegen Slalom oder tanzen zu Popsongs. Die Quadrokopter der ETH-Robotiker um Professor Raffaello D’Andrea sind berühmt geworden, nicht zuletzt dank Youtube-Videos wie demjenigen der pingpongspielenden Fluggeräte, der über 2,8 Millionen Mal aufgerufen wurde.

Einige der Manöver, die heute auf dem Videoportal Youtube zu sehen sind, haben Robin Ritz und Federico Augugliaro den Flugrobotern beigebracht. Die beiden jungen Maschineningenieure haben über die Quadrokopter ihre Masterarbeiten geschrieben. Für ihre Leistungen sind sie nun mit dem Hans-Eggenberger-Preis 2012 geehrt worden. Der Preis wird ihnen in einer kleinen Feier Ende Januar überreicht.

Kooperatives Bällewerfen und -fangen

Robin Ritz hat in seiner Masterarbeit «Cooperative Quadrocopter Ball Manipulation» den Fluggeräten beigebracht, sich kooperativ zu verhalten. In seinem Video, das schon jetzt über 300'000 Mal angeklickt wurde, sind drei im Raum schwebende Flugroboter zu sehen, an denen ein Netz befestigt ist. Im Netz liegt ein Ball. Dann beschleunigen die Quadrokopter synchron, schnellen seitlich aufwärts und stehen gleich wieder still. Durch diese Seitwwärtsbewegung spannen die Mini-Helikopter das Netz an und schleudern so den Ball senkrecht in die Höhe, ehe sie ihre Ausgangsposition wieder annehmen und den Ball auffangen. Dieses Manöver wiederholen sie mehrere Male, ohne dass der Ball auf den Boden fällt.

Um dieses Manöver auszuführen, waren neuartige Algorithmen nötig. Erst diese erlauben es den Fluggeräten, dynamische, nicht-lineare Manöver zu fliegen. Und weil die Quadrokopter physisch miteinander verbunden sind, müssen sie kooperieren. «Die Aufgabe war für uns deshalb interessant, weil dafür spezielle Regelungen nötig sind, um die drei verbundenen Quadrokopter zu koordinieren», sagt Robin Ritz.

Die hier entwickelten Algorithmen sind jedoch nicht nur Spielerei. Sie könnten zum Beispiel auch Verwendung finden zur Koordination mehrerer autonomer Flugobjekte wie Drohnen, denen Aufgaben übertragen werden, die eine Einzelne nicht durchführen kann. Beispiele dafür sind autonome Such- und Rettungsmissionen zur Bergung von verletzten Personen oder die Lieferung von schweren Gütern. Die Algorithmen selbst sind plattformunabhängig. Dies ermöglicht es, sie in völlig anderen Bereichen, die eine Koordination multipler, gekoppelter Systeme verlangen, einzusetzen.

Choreographie ohne Kollisionen

Kollisionsvermeidung war dagegen eine der Herausforderungen, denen sich Federico Augugliaro in seiner Masterarbeit «Dancing Quadrocopters – Trajectory Generation, Feasibility and User Interface» stellte. Auch er hat Videos auf Youtube gestellt, die seine Arbeit dokumentieren. Darin steigen mehrere Quadrokopter auf und fliegen zum Song «Armageddon» von Prism eine ausgefeilte Choreographie, die genau auf den Text und den Rhythmus des Liedes abgestimmt ist. Die Flugroboter schaukeln im Takt, steigen senkrecht hoch, sinken wieder ab, drehen Runden, fliegen zwischen einander hindurch.

Augugliaro hat also den Flugrobotern das Tanzen beigebracht, und auch dazu waren neue Algorithmen und Steuerungen nötig. So hat er verschiedene Programmteile geschaffen, um Quadrokopter-Choreographien für die «Flying Machine Arena» (siehe Kasten) generieren zu können.

Schon vor dem eigentlichen Projekt hat er eine Software geschrieben, um Musik zu analysieren und deren Struktur zu beschreiben. Danach verknüpfte er Abschnitte dieser Struktur manuell mit vordefinierten Bestandteilen des Tanzflugs. So konnte er schliesslich aus verschiedenen Einzelstücken am Computer eine ganze Choreographie, die den Eigenheiten der Musik folgt, zusammenstellen.

Bauen mit Flugrobotern

Ziel von Augugliaros Masterarbeit war es, Choreographien für mehrere Fluggeräte zu entwickeln. Dazu programmierte er eine spezielle Software, die es dem Benutzer erleichtert, die Flugbahnen der Quadrokopter zu definieren, ehe die Geräte in die Luft geschickt werden. In seinem Tool baute der Tessiner zudem eine Methode ein, um die Machbarkeit der gewünschten Flugbahnen am Computer zu prüfen. Überdies schrieb Augugliaro einen Algorithmus, der kollisionsfreie Flugbahnen für mehrere Quadrokopter berechnet und der die Machbarkeitsprüfung einschliesst.

Ihre Masterarbeiten haben die beiden Maschineningenieure abgeschlossen, ihre Engagements an der ETH Zürich sind jedoch noch nicht zu Ende. Beide führen ihre Studien an den Quadrokoptern als Doktoranden bei Professor Raffaello D’Andrea weiter. Augugliaro arbeitet seit Februar 2012 gemeinsam mit der Professur Gramazio + Kohler an einem Forschungsprojekt über «Aerial Construction». Erste Vorarbeiten dazu leistete er in einem Projekt, bei welchem die Flugroboter als Baumeister eines sechs Meter hohen Turms aus Schaum-Backsteinen eingesetzt wurden. Robin Ritz beschäftigt sich weiterhin mit kooperativem Verhalten der Quadrokopter.

Flying Machine Arena

Die Flying Machine Arena (FMA) besteht seit 2008 und wurde von Raffaello D’Andrea aufgebaut. Er kam Ende 2007 an die ETH Zürich und setzte hier im Maschinenlaboratorium an der Tannenstrasse eine Idee um, die er bereits in seiner Zeit als Cornell-Professor hatte. Die FMA hat ein Raumvolumen von 1000 Kubikmetern (10x10x10 Meter). Acht Infrarotkameras erfassen hochpräzise die Positionsdaten der Flugroboter, die mit reflektierenden Kügelchen ausgestattet sind. Die Kameras senden diese Daten an die Zentralrechner, die die Daten auswerten, abgleichen und neue Bewegungsmuster berechnen. Über Funk steuert der Computer schliesslich die Quadrokopter an, welche die Steuerungsbefehle ausführen, die ihnen der Computer erteilt. Obwohl in der FMA verschiedene Fluggeräte verwendet werden können, setzen die Forscher auf die Quadrokopter. Diese sind sehr agil, mechanisch einfach gebaut und dadurch robust. Diese Fluggeräte eignen sich hervorragend für Forschung im Bereich Automation und Maschinenlernen sowie für die Lehre.