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  • GTC 2016 - Das fliegende Auge: In der Nano-Drohne Black Hornet tickt eine GPU
    Quelle: PC Games Hardware

    GTC 2016 - Das fliegende Auge: In der Nano-Drohne Black Hornet tickt eine GPU

    18 Gramm schwer, 16 Zentimeter lang und mit einem Tegra-K1-SoC an Bord: Die norwegische Nano-Drohne Black Hornet hilft Militär, Polizei und dem Katastrophenschutz dabei, unbekanntes Terrain auszukundschaften.

    Ein Highlight der GPU Technology Conference sind Vorträge, die ungewöhnliche Einsätze von GPUs beschreiben. Kandidat für den diesjährigen Spitzenplatz dieser Kategorie ist die Session von John Lund, der als Research Engineer beim 2007 gegründeten, norwegischen Unternehmen Prox Dynamics arbeitet. Lund ist für das Projekt Black Hornet verantwortlich - der ersten Nano-Drohne der Welt, die bei Polizei, Katastrophenschutz und dem Militär im Einsatz ist.

    Afghanistan und Super Bowl

    Die Black Hornet ist gerade einmal 16 Zentimeter lang, wiegt 18 Gramm und besitzt bei einer Reichweite von 1,6 Kilometer eine Batterielaufzeit von 25 Minuten. Die Nano-Drohne besitzt auf der Vorderseite drei Kameras, die einen weiten Blickwinkel abdecken. In einer Nacht-Konfiguration stecken stattdessen eine Wärmebild- und eine normale Kamera. "Mit ihrem leisen Propeller ist die Drohne praktisch unhörbar", sagt John Lund - und deutet zur Rückwand des Hörsaals, wo uns eine Black Hornet bereits seit etlichen Minuten filmt.

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    Black Hornet: Nano-Drohne im Video

    Selbst Gegenwind mit einer Geschwindigkeit von acht bis zwölf Metern pro Sekunde und mieses Wetter können die schwarze Hornisse nicht stoppen, die schon bei NATO-Streitkräften in Afghanistan im Einsatz war. Doch das System geht auch in friedlicheren Umgebungen in die Luft, etwa zu Überwachungszwecken beim Football-Finale Super Bowl, das jüngst im kalifornischen Santa Clara stattgefunden hat, oder um Katastrophenhelfer bei der Suche nach Überlebenden zu unterstützen.

    Zwei Drohnen sind besser als eine

    Der Pilot steuert die Drohne mit einer Art Gamepad, das zusammen mit zwei Black Hornets in einer Art umschnallbaren Hangar-Holster steckt. Muss die eine Drohne ans Ladekabel, geht die nächste auf Aufklärungskurs. Ist dann die Batterie der zweiten Drohne erschöpft, ist die erste bereits wieder aufgeladen und kann erneut an den Start gehen. "Damit sind beide Drohnen etwa zehn Stunden einsatzbereit", erklärt John Lund. Ein stabiles Tablet zeigt die Bilder der Bordkameras an.

    Eine weitere Design-Anforderung an die Black Hornet: Die Drohne muss in der Lage sein, etwa durch halb geöffnete Fenster in Gebäude einzudringen, in denen kein GPS-Empfang möglich ist. Dort soll sie dann selbstständig an Personen vorbei- und durch Türen hindurchnavigieren. "Diese Autonomie ist auch überlebensnotwendig, wenn die Funkverbindung zwischen dem Piloten und der Drohne gestört ist", sagt John Lund.

    GTC 2016 - Das fliegende Auge: In der Nano-Drohne Black Hornet tickt eine GPU (1) GTC 2016 - Das fliegende Auge: In der Nano-Drohne Black Hornet tickt eine GPU (1) Quelle: PC Games Hardware/Roland Austinat Apropos Störung: Aufgrund ihrer geringen Größe beziehungsweise ihres kann die Black Hornet selbst bei einem Absturz niemanden verletzen. Kein unwichtiger Punkt: Beim Ski-Weltcup im italienischen Madonna die Campiglio wurde der Österreicher Marcel Hirscher im letzten Dezember beinahe von einer zehn Kilogramm schweren Kameradrohne erschlagen. Anders als die meisten kommerziellen Drohnen setzt Prox Dynamics auf nur zwei Propeller, die bei den Punkten Flugzeitmaximierung, Geräuschentwicklung und Platzbedarf stets als Sieger davongehen.

    Jedes Milligramm zählt

    Bei der Konstruktion der Black Hornet mussten die Entwickler zahlreiche Herausforderungen meistern. "Wir begannen mit einer Version, die nur ein Gramm schwer war", erzählt John Lund. "Dann fügten wir weitere Komponenten hinzu, was natürlich das Gewicht erhöhte." Dabei galt es, die Parameter Rechenressourcen, Energiehaushalt, Gewicht, Größe und Übertragungsbandbreite im Auge zu behalten. "Das Gewicht ist unser wichtigster Faktor", sagt Lund. "Beim Bau der Drohne wussten wir über jedes Milligramm Bescheid."

    Die kleinsten Bauteile der Drohne sind gerade einmal einen Millimeter groß. "Das bedeutet, dass der größte Teil der Bauarbeiten mit Geduld und Präzision unter einem Mikroskop durchgeführt werden musste", so John Lund. Und weil sich solche Komponenten nicht im Elektronikkatalog finden, musste das Team jede einzelne selbst herstellen - "bis zu den Wicklungen auf den Spulen", sagt Lund.

    Der kleine Bruder von R2-D2

    Zu den Grundfunktionen der Steuersoftware gehört der Autopilot. "Weder Mensch noch Jedi-Ritter kann die Black Hornet ohne Autopilot fliegen", grinst John Lund. "So wie R2-D2 Daten sammelt und an den X-Wing weiterleitet, so müssen wir Informationen erfassen und verarbeiten, die dann Low-Level-Steuerimpulse an den Motor der Drohne weitergeben." Außerdem muss das System mit dem Piloten am Boden in Verbindung bleiben und die von den Kameras aufgenommenen Videos vor der Übertragung komprimieren.

    Weder Mensch noch Jedi-Ritter kann die Black Hornet ohne Autopilot fliegen. Zukunftsmusik sind derzeit noch das Video-Tracking bestimmter Personen oder Objekte sowie der Einsatz des SLAM-Verfahrens. "Simultaneous Localization and Mapping", also simultane Lokalisierung und Kartenerstellung, beschreibt die Methode, mit der die Drohne sowohl eine Karte ihrer Umgebung erstellen als auch gleichzeitig ihre Position auf dieser Karte bestimmen kann.

    "Doch dazu benötigen wir mehr Rechenressourcen, was mehr Gewicht bedeutet - und mehr Energie, um dieses Gewicht in der Luft zu halten und die Berechnungen zu ermöglichen", sagt John Lund. Effizienterer Programmcode verlängert die Flugzeit, weil jede Instruktion in der GPU Energie verbraucht. "Anders als in einem Rechenzentrum geht es uns nicht darum, die Stromrechnung zu senken, sondern die Black Hornet länger in der Luft zu haben."

    Nvidia im Kampfgebiet

    Für die Berechnungen ist ein Nvidias System-on-a-Chip Tegra K1 zuständig - beziehungsweise das Jetson-TK-1-Entwicklerkit. Doch wie auf dem Foto rot dargestellte Grundriss der Nano-Drohne zeigt, ist die Platine viel zu groß, um in der Black Hornet Platz zu finden. "Einerseits haben wir nicht alle Komponenten des Jetson-Boards benötigt, andererseits brauchen wir zusätzliche Sensoren und Motoren - das war eine knifflige Angelegenheit, alles auf die Größe der Drohne zu reduzieren", sagt John Lund.

    Erneut gingen die Entwickler ans Eingemachte. "Kupfer ist schwer, also verabschiedeten wir uns von einigen Leiterbahnen - wir können definitiv kein Referenzdesign verwenden", so Lund. "Doch ist es uns gelungen, die Black Hornet mit K1 abheben zu lassen. Dabei haben wir mit unserer Drohne das gleiche Masse-Leistungs-Verhältnis wie das eines Bugatti Veyron erreicht."

    Adler gegen Drohnen

    Nach dem Vortrag schnappen wir uns John Lund und wollen von ihm wissen: Wie leicht war es, auf dem Weg zur GTC mit der Black Hornet durch den Zoll zu kommen? "Das ist eine ganz schön nervige Angelegenheit", antwortet John Lund. "Wir benötigen dazu ganz spezielle Unbedenklichkeitsbescheinigungen."

    Und ist die Black Hornet wirklich kugelsicher? "Das nicht, doch kampferprobt auf jeden Fall", grinst Lund. "Auch, wenn es inzwischen einen ganzen Industriezweig gibt, der sich damit beschäftigt, Drohnen vom Himmel zu holen." Zu den Methoden, um dies zu bewerkstelligen, gehören nach Lunds Angaben abgeschossene Netze oder gar abgerichtete Adler, die sich das fliegende Objekt krallen sollen.

      • Von therealbastard PC-Selbstbauer(in)
        ...täuscht Euch mal nicht was den Aprilscherz betrifft.
        ...die waren schon im Einsatz...und zur "normalen" Aufklärung reicht auch die derzeitig verwendete Technik. Ich selbst fliege FPV RaceQuadcopter. Also die großen Brüder von diesen Kleinen. Und die Fortschritte die hier gemacht werden sind immens. Das Problem mit der Akkuleistung setzt aber auch hier seine Grenzen...
        Zu den FPV RQ nur noch soviel...das sind KEINE "Voyeurdrohnen" sondern kleine (ca.250mm) Quadcopter mit Camera, die mit einer Videobrille geflogen werden...in geringer Höhe, fast immer Bodennähe mit Geschwindigkeiten bis 130km/h...wer sich noch an WipeOut erinnern kann der hat in etwa eine Vorstellung...
        Erschreckend an der Meldung...die Norweger liegen hier noch nicht einmal ganz weit vorne...das Ganze gibt es schon noch kleiner aber auch noch mehr in der Entwicklung.
      • Von Rayken Software-Overclocker(in)
        Sieht unscheinbar aus wie ein Kinderspielzeug.
        GEKAUFT! Wäre da nicht der Preis von ca. 40k$ pro Stück
        Und das es unter der Norwegischen Rüstungskontrolle steht und
        nur an Regierungen verkauft wird.... schade
      • Von kartenlehrling Freizeitschrauber(in)
        Klingt wie ein verspäterer 1.April Beitrag.
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GTC 2016 - Das fliegende Auge: In der Nano-Drohne Black Hornet tickt eine GPU
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http://www.pcgameshardware.de/Neue-Technologien-Thema-71240/Specials/Black-Hornet-Nano-Drohne-1191738/
09.04.2016
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