Mit KI-gestützter Drohne zur sauberen Pferdekoppel

In gelben Gummistiefeln steht er auf der Pferdekoppel. Um ihn herum: 10.000 Quadratmeter Wiese. Zwei Pferde. Und im Gras verstreut – Pferdeäpfel. „Damit müssten sie eine ähnliche Flughöhe erreichen“, geht es ihm durch den Kopf, als Professor Dietmar Gerhardt in seinen gelben Stiefeln die Studierenden beobachtet. Mit nach oben gerichteten, zwei Meter langen Stöcken streifen sie durch die Weidefläche. Am oberen Ende eines jeden Stocks ist eine Kamera festgebunden. Die Kameras fotografieren die Pferdeäpfel aus der Höhe. Das Ziel: Vom Drohnen-Luftbild mit KI-Erkennung, GPS und Dumper zur sauberen Pferdekoppel.

„Die Vision im Projekt Drobix ist die Entwicklung autonomer Wiesenarbeiter, die Pferdeäpfel einsammeln. Eine autonom fliegende Drohne soll auf einer Weidelandschaft die Position der Pferdeäpfel identifizieren, ein autonom fahrender Dumper, eine Art elektrische Schubkarre, die Pferdeäpfel abtransportieren. Die Idee kam von meiner Frau Sonja Podjawerschek – wissenschaftliche Mitarbeiterin am Campus Velbert/Heiligenhaus – als ein Student sie nach einem interessanten Projektthema für sein Studium fragte“, beschreibt Dr. Dietmar Gerhardt, Professor für Elektronik und Signalverarbeitung am Campus Velbert/Heiligenhaus der Hochschule Bochum. An diesem Tag steht er nicht im Hörsaal, sondern mit Masterstudierenden der Technischen Informatik zur Datenerhebung auf einer Pferdekoppel. „Die Luftbilder der Studierenden von den Pferdeäpfeln dienen uns als Datensatz, um die Künstliche Intelligenz darin zu trainieren, wie Pferdeäpfel aussehen. Künftig soll die autonom fliegende Drohne die Daten der Pferdeäpfel mittels KI erheben, sie soll die Pferdeäpfel eigenständig aus der Luft heraus im Gras erkennen.“

Die Erkennung und Lokalisation der Pferdeäpfel ist aber nur eine der Aufgaben, mit der sich die Studierenden intensiv beschäftigen. Denn schon beim Fotografieren auf der grünen Weide kommen neue Fragen bei ihnen auf: Wie unterscheidet die KI-gestützte Drohne Pferdeäpfel von Maulwurfshügeln? Wie ist sichergestellt, dass sie die Pferdeäpfel nicht nur im ebenen Gras erkennt, sondern auch in dynamischen Umgebungen, etwa auf Hügeln oder an kahlen Weidestellen, wo das Gras vertrocknet ist? Und wie erkennt die Drohne auf ihrem Flug Hindernisse wie dünne Äste oder die Drahtumzäunung der Pferdekoppel? „Genau das passiert im realen Projekt. Man fängt an und im Projektverlauf kommen Stolpersteine, mit denen die Studierenden in solch praxisbezogenen Projekten umzugehen lernen“, sagt der Professor. Zwei Bachelorstudierende der Angewandten Informatik beschäftigen sich mit der Sensortechnik für die Drohne zur Hinderniserkennung. Ein Masterstudent der Technischen Informatik programmiert eine Weboberfläche, die auf einen Kartendienst zurückgreift. Über die Oberfläche soll künftig exakt festgelegt werden können, in welchem Gebiet sich Drohne und Dumper bei ihrer Wiesenarbeit bewegen dürfen. Dietmar Gerhardt: „Das ist wichtig, weil bei der Drohne Flugverbote beachtet werden müssen oder wenn der Dumper nicht über eine gerade neu gesäte Wiese drüberfahren darf.“

Ein weiterer Student hat im Zuge seiner Masterarbeit am Aufbau der autonom fliegenden Drohne gearbeitet. Rotoren für den Antrieb sind montiert, eine hochauflösende Kamera für die Luftaufnahmen ist unterhalb des Drohnenkörpers befestigt, ebenso sind Sensoren zur Stabilisierung der Drohne in der Luft und ein Flight Controller, der die Sensordaten verarbeitet, eingebaut. „Die Drohne ist noch nicht flugbereit, aber sie hat schon ein GPS-Modul um die Routen autonom abzufliegen und die Position der identifizierten Pferdeäpfel exakt zu bestimmen“, erklärt Dietmar Gerhardt. „Sobald die Drohne mittels KI einen Pferdeapfel erkannt hat, werden die GPS-Koordinaten über eine GPS-Basisstation, die von Studierenden noch gebaut wird, an den autonom fahrenden Dumper übermittelt. Dieser plant eine Route und sammelt die Pferdeäpfel ein. Über die Basisstation erwarten wir zentimetergenaues GPS.“

Der Elektroingenieur zeigt auf einen industriellen Dumper, an den ein Studierender einen eigenen Rechner montiert hat. Über den Rechner wird der Dumper autonom gesteuert. Für Testfahrten ist die elektrische Schubkarre bereits auf dem Hochschulcampus unterwegs. Der Dumper muss in die Lage versetzt werden, Hügel rauf und runter zu fahren, runtergefallene Äste aber auch Menschen und Tiere als Hindernisse zu erkennen. Außerdem müssen die Studierenden ihm nicht nur einprägen, wie und wo er die Pferdeäpfel einsammeln soll, sondern auch, wo er sie wieder ausladen darf. „Der Dumper darf vollgeladen nicht zur Seite kippen. Ein Mechatronik-Studierender hat sich daher mit der Schwerpunktbestimmung beschäftigt.“ Immer wieder zieht sich Dietmar Gerhardt bewusst etwas zurück. Beobachtet die Studierenden mit Abstand. Lässt sie diskutieren, ausprobieren, Motivation wachsen und kreative Ideen reifen. „Nicht immer klappt ein Entwicklungsschritt beim ersten Versuch, das wird auch später im Berufsleben so sein. Die Studierenden müssen Scheitern lernen, aber auch Erfolge feiern können. Solche Projekte verbinden Theorie mit knallharter Praxis. Die Studierenden lernen Wissen aus verschiedenen Vorlesungen zu kombinieren und trainieren die Anwendung des Erlernten. Derartige praxisbezogene Aufgaben wie in unserem Projekt fördern Kompetenzen im selbständigen Arbeiten und die Entwicklung innovativer Ideen, was im künftigen Berufsleben eine ihrer Hauptaufgaben sein wird.“

Über 20 Studierende unterschiedlicher Studiengänge haben bereits erfolgreich Teilaufgaben für das Projekt Drobix in Vorlesungen, Projekt- und Abschlussarbeiten bei verschiedenen Lehrkräften am Campus Velbert/Heiligenhaus bearbeitet. Weitere Aufgabenstellungen sind in Planung. Projektleiter Dietmar Gerhardt denkt an eine Garage mit Ladestation, in der Dumper und Drohne nach getaner Arbeit autonom einparken. In die sollen die beiden auch eigenständig zurückfahren, wenn ihr Akku erschöpft ist. Eine weitere Aufgabe könnte die Entwicklung einer Funktion sein, die dafür sorgt, dass der Dumper die stromsparendste Route zum Ziel auswählt und Wasserpfützen umgeht. „Außerdem muss gewährleistet sein, dass Drohne und Dumper bevor es stark regnet eigenständig zurück in die Garage fahren. Hierfür benötigen wir eine Station, die das Wetter überwacht und entsprechende Signale an die Wiesenarbeiter weitergibt. Auch das wird eine der nächsten Aufgaben für Studierende sein“, sagt Dietmar Gerhardt. Der Professor ist sich sicher: „Am Ende sind zwei fleißige Wiesenarbeiter im Einsatz und bis dahin haben wir gemeinsam viel gelernt und im Projekt eine Menge Spaß miteinander gehabt.“

Bericht: Daniela Schaefer, Online-Redakteurin.