Tempo-Limit im überfüllten Luftraum

Cambridge (USA) – Habichte sind die wahren „Kampfflieger“: Auf der Jagd sausen sie selbst in dichten Wäldern im rasanten Zickzack durchs Unterholz, ohne je zu kollidieren. Dabei schlagen sie Haken, schießen zwischen eng stehenden Ästen hindurch und fliegen dabei viel schneller, als ihr Blick die Hindernisse analysieren könnte. Diese Fähigkeit würden Ingenieure gerne auch ihren kleinen Flugmaschinen verleihen. Jetzt hat ein Team aus Physikern und Biologen festgestellt, dass es dafür eine theoretische Höchstgeschwindigkeit gibt, je nach Dichte der Hindernisse: Darüber hinaus können Vögel oder auch Drohnen drohende Zusammenstöße in der Luft kaum noch vermeiden. Ihr exaktes Modell werden die Forscher im Mai auf der kommenden IEEE Conference on Robotics and Automation präsentieren. Bis dahin vergleichen sie ihre Theorie mit den Flugkünsten echter Vögel und haben soweit vergleichbare Werte erhalten.

Drei Skizzen, bei denen die Baumdichte etwa gleich bleibt, die Geschwindigkeit des Vogels jedoch zunimmt. Dabei ist erkennbar, dass bei hohem Tempo weniger mögliche Wege durch die Bäume möglich sind, was in der Skizze durch abnehmende freie Flächen zwischen den Bäumen zu erkennen ist.
Modell der Flugbahn

„Wenn man langsamer fliegt als dieses kritische Tempo, dann gibt es eine echte Chance, ewig weiter zu fliegen und immer die Bäume zu vermeiden“, berichtet Emilio Frazzoli, Professor für Luft- und Raumfahrt am Massachusetts Institute of Technology (MIT). Sein Team arbeitete gemeinsam mit Biologen der Harvard University zusammen, um zunächst die Fluggewohnheiten der Vögel in ihrem Umfeld zu analysieren und später die Ergebnisse in sogenannte Unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) zu programmieren. Auch diese Fluggeräte sollen in der Lage sein, ihre Flugroute autonom an einen hindernisreichen Luftraum anzupassen und Zusammenstöße zu vermeiden. Fazit der Forscher ist: Für jede Dichte etwa eines Waldes oder auch eines Großstadtdschungels existiert eine „unendliche kollisionsfreie Flugbahn“ (infinite collision-free trajectory) – solange eine jeweils kritische Geschwindigkeit nicht überschritten wird.

Doch Drohnen und andere UAVs sind bisher auf ein Flugtempo programmiert, dass sie so schnell stoppen lässt, wie das Blickfeld ihrer Sensoren reicht. „Wenn ich nur fünf Meter weit sehen kann“, erklärt Frazzoli, „dann kann ich nur bis zu einem Tempo gehen, das mir erlaubt, innerhalb von fünf Metern zu stoppen. Was nicht sehr schnell ist.“ Habichte hingegen gingen weit darüber hinaus – vermutlich kombinieren sie Erfahrungen und blitzartige Reaktionen, so die Forscher. Sie wüssten offenbar intuitiv, dass sie bei einer bestimmten Walddichte und daran angepasstem Tempo immer eine Öffnung zwischen den Bäumen finden könnten. Das könne man auch mit Freestyle-Skifahrern vergleichen, so Frazzoli: „Abseits der Piste fährt man auch nicht so, dass man immer beim ersten Baum stoppen kann, den man sieht. Man gleitet und sieht einen Durchlass und vertraut darauf: Sobald man erst dort ist, wird man den nächsten Durchlass sehen und weiter kommen.“

Der Forscher und sein Doktorand Sertac Karaman erstellten für ihre Theorie ein Waldmodell mit wechselnder Baumdichte und den Durchlass-Korridoren, die ein Vogel zwischen den Hindernissen nutzen kann. Je schneller er fliegt, desto weniger ausweichende Flugmanöver kann er vollführen, so dass immer weniger und schmalere Korridore bleiben. Hieraus lässt sich die Wahrscheinlichkeit errechnen, mit der ein Vogel bei gegebenem Tempo mit einem Baum kollidieren würde. Aus der resultierenden Grenzgeschwindigkeit, die das Team errechnete, gilt auch für fliegende Roboter und Drohnen: Egal wie gut ihre Sensoren werden – optisch, mit Radar oder anderer Technik – und egal, wie schnell sie reagieren können, es wird immer eine Höchstgeschwindigkeit geben, die für einen Flug ohne vermutlichen Crash zu beachten ist.

Die Ergebnisse dürften auch Ingenieure beim Drohnenbau zu neuen Strategien inspirieren. Frazzoli und seine Kollegen in Harvard sind derweil dabei, das theoretische Modell mit dem Flug weiterer Vögel abzugleichen. Ihre Frage ist: Wann und wie entscheidet sich ein Tier, ein Dickicht nicht zu durchfliegen? Gleichzeitig wollen sie auch Menschen als „Versuchsvögel“ rekrutieren, um statistische Daten zu sammeln: Diese sollen in einer Art Flugsimulator-Spiel bei hohem Tempo zwischen dichten Hindernisse hindurch navigieren.