Drohnen können Wände "hören"

Ortung ebener Flächen mithilfe von Schall

23. März 2020
Echolokation – Wie Drohnen Wände hören können - Screenshot aus dem Youtube-Video

 

Kann eine Drohne mithilfe von Schallwellen Wände und andere ebene Flächen orten? Dass das funktioniert, haben Professor Gregor Kemper vom Lehrstuhl für Algorithmische Algebra der TUM und Professor Mireille Boutin von der Purdue University in Indiana, USA, in der Publikation A Drone Can Hear the Shape of a Room mathematisch bewiesen.

Drohne mit Messequipment

Lässt sich Echoortung nutzen, um Wände und andere ebene Flächen zu vermessen? Diese Frage beschäftigt Mathematiker auf theoretischer Ebene bereits seit längerer Zeit. So ist es bereits bewiesen, dass vier Mikrofone und ein Lautsprecher im Raum ausreichen, um die Wände zu lokalisieren und ihre Neigung zu berechnen.

In der Realität wäre das allerdings sehr aufwendig, denn: Die Mikrofone müssen unabhängig voneinander in zufällige Raumpositionen gebracht werden. Kemper und Boutin gehen daher einen Schritt weiter: In ihrem theoretischen Ansatz platzieren sie den Lautsprecher und die vier Mikrofone auf einer Drohne, die das Messequipment direkt in den Raum fliegen kann.

 

Sehen Sie im Video unten, wie Drohnen Wände hören können.

Echolocation – How drones can hear walls

 

Algorithmus identifiziert Echos einer Wand

Das Prinzip bleibt bei dem aktuellen Ansatz gleich: Sendet der Lautsprecher einen Schallimpuls aus, werfen die Wände die Schallwellen zurück. Diese direkten Reflexionen des Impulses werden als Echos erster Ordnung bezeichnet. Doch dabei gibt es ein Problem, wie Kemper erklärt: "Jedes Mikrofon nimmt sehr viele Echos auf. Wir müssen genau zuordnen können, welche Echos von welcher Wand stammen".

Die Laufzeit, also die Zeitdifferenz von der Sendung des Schallimpulses bis zum Empfangen des Echos, kann mithilfe der Mikrofone sehr genau bestimmt werden. Alle Laufzeiten, die einer bestimmten Wand zugeordnet sind, stehen in einer ganz bestimmten Beziehung zueinander. Kemper und Boutin entwickelten einen Algorithmus, der diese Beziehung berücksichtigt und so die einzelnen Echos der richtigen Wand zuordnen kann.

Geringes Risiko für Geisterwände

Anschließend werden Position und Neigung der Wände mit geometrischen Verfahren berechnet, die der Standortermittlung mit GPS ähneln. Allerdings kann es vorkommen, dass die Echos zufällig die mathematische Beziehung zueinander erfüllen. Dadurch können sogenannte Geisterwände entstehen. Doch wie wahrscheinlich treten Geisterwände bei einer Vermessung mittels Drohne auf?

Das klären Kemper und Boutin in ihrer wissenschaftlichen Arbeit: Sie beweisen mathematisch, dass die Bewegungsfreiheit der Drohne ausreicht, um sie mit Wahrscheinlichkeit 1 – also mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit – in eine Position zu bringen, bei der keine Geisterwände entstehen. Dafür dürfen die Mikrofone allerdings nicht auf einer Ebene auf der Drohne angeordnet sein.

Von der Theorie in die Praxis

Im nächsten Schritt wollen Kemper und Boutin eine mathematische Lösung für den Fall finden, dass es zu Messfehlern oder Messungenauigkeiten kommt. Auch die Konfiguration des Lautsprechers und der Mikrofone auf einem bodengebundenen Fahrzeug wollen sie prüfen.

Die ausführlichere Pressemeldung der TUM finden Sie unter "Wie Drohnen Wände hören".