Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) hat im März 2023 die Einrichtung des Schwerpunktprogramms „Messtechnik auf fliegenden Plattformen“ (SPP 2433) beschlossen. Als Laufzeit sind sechs Jahre, bestehend aus zwei je dreijährigen Förderperioden, vorgesehen. Die DFG lädt hiermit zur Antragstellung für die zweite dreijährige Förderperiode ein.

Problemstellung

Es gibt einen stetig steigenden Bedarf der Gesellschaft und der Industrie an Mess- und Sensorsystemen für Freifeldmessungen, beispielsweise um die Auswirkung nicht vorhersehbarer Umwelteinflüsse auf Gebäude, Anlagen und Pflanzen zu verstehen oder vor Gefahrstoffen zu warnen. Tatsächlich werden Unterwasserfahrzeuge, Bodenfahrzeuge, Flugzeuge und Satelliten seit Langem als mobile Messplattformen genutzt, um dort zu messen, wo sich die Messaufgabe befindet. Der bodennahe Raum, den der Mensch bewohnt, intensiv gestaltet und bewirtschaftet, erstreckt sich typischerweise vom Boden bis in circa 300 Meter Höhe. Entsprechend finden sich hier viele Messaufgaben, insbesondere für die Erkundung sowie Überwachung von Anlagen und Umwelt. Für die Erschließung dieses Messfelds sind erst seit einer vergleichsweise kurzen Zeit kleine unbemannte Flugobjekte, sogenannte Drohnen (engl.: uncrewed aerial vehicle, UAV), für den zivilen Einsatz in großer Vielfalt kommerziell verfügbar.

Da die zivile Drohnentechnologie im Vergleich zu anderen mobilen Systemen noch sehr jung ist und fortlaufend technologische Fortschritte verzeichnet, bieten Drohnen ein noch unerforschtes Potenzial für einen Einsatz als mobile Messsystemträger. Im Gegensatz zu einer Laborumgebung muss mit umwelt- und drohnenbedingten, teils unvorhersehbaren Quereinflüssen umgegangen werden; zudem haben Drohnen deutlich engere Limitierungen hinsichtlich Gewicht, Bauraum, Energie und Zeit. Dies grenzt auch die Möglichkeiten bei der Datenvorverarbeitung, der Datenspeicherung und des Datentransfers ein. Zugleich werden bislang eher qualitative Informationen – insbesondere mit Künstlicher Intelligenz (KI) – aus Bilddaten extrahiert, während es kaum quantitative Messungen mit Messunsicherheiten gibt. 

Wissenschaftliche Ziele

Das übergeordnete Forschungsziel ist, das noch nicht ausgeschöpfte Potenzial und die Grenzen mobiler, drohnenbasierter Messsysteme für die Erfassung von (Mess-)Größen mit einer zugeordneten Messunsicherheit zu erschließen. Im Schwerpunktprogramm werden folgende vier Akzente gesetzt:

• Erschließung von neuen Messprinzipien und Methoden für Drohnen. Bei den Prinzipien sollen über rein passive Kamerasysteme hinausgehende Messverfahren wie laseroptische, akustische oder thermische Anregung oder Radiowellen- beziehungsweise Laserabtastung nutzbar gemacht oder neue, auf lokal messenden Sensorsystemen basierende Verfahren untersucht werden. Insbesondere sollen Methoden zur Korrektion von Störungen durch Umwelt- und Drohneneinflüsse erforscht werden.

• Im Bereich der Gerätetechnik stellen die eingeschränkte Verfügbarkeit der Ressourcen Raum, Gewicht, Energie und Zeit mit entsprechend begrenzten Möglichkeiten bei der Sensortechnologie, der Datenvorverarbeitung, der Datenspeicherung und des Datentransfers die größten Herausforderungen dar. Deshalb soll die Eignung bestehender Sensorkonzepte erforscht und konkrete Fortschritte bei der Sensorminiaturisierung und der Minimierung des Energie- beziehungsweise Leistungsbedarfs verfolgt werden.

• Im Bereich der Signalverarbeitung sollen Fortschritte in Bezug auf eine energieärmere Messdatenauswertung und -übertragung sowie auf energiebewusstere Signalverarbeitungsmethoden und Kommunikationskonzepte angestrebt werden. Ausgehend von drohnenbasierten Einzelsensorsystemen wird auch deren kombinierter Einsatz mit einer Sensordatenfusion und -kommunikation untersucht, um die Messfähigkeit für mehr Sensorgrößen zu realisieren.

• Schließlich sollen die drohnenbasierten Sensor- und Messsysteme nicht allein anhand der unter Umwelt- und Drohneneinflüssen erreichbaren Messunsicherheit bewertet werden, sondern stets in Verbindung mit den verwendeten Ressourcen Raum, Gewicht, Energie und Zeit bewertet werden. Mit dieser erweiterten, mehrdimensionalen Bewertung und dem Aufdecken von Skalierungsmechanismen soll einerseits eine Vergleichbarkeit ermöglicht und andererseits das flexibel gestaltbare Potenzial der Messtechnik auf fliegenden Messplattformen einheitlich beschreibbar werden.

Hierfür ist es erforderlich, dass jedes Projekt alle folgenden vier Themengebiete behandelt: (1) Messprinzip und -methoden, (2) Sensorik, (3) Signalverarbeitung und Kommunikation sowie (4) Bewertung der Messgüte und Ressourcen. Gleichzeitig ist es möglich, den Forschungsschwerpunkt auf mindestens zwei der insgesamt vier Themengebiete zu setzen. Zur Förderung interdisziplinärer Arbeiten sind neben Einzelvorhaben auch gemeinsame Forschungsvorhaben von zwei Antragsteller*innen aus unterschiedlichen Themengebieten möglich und erwünscht.

Durch die Zusammenführung der individuellen Arbeiten im Projekt mit der projektübergreifenden Zusammenarbeit im Schwerpunktprogramm sollen die Grundlagen für ein neues Paradigma geschaffen werden: Drohnen als fliegende Messplattformen für valide, quantitative Messungen mit einer Messunsicherheitsangabe.

Ergebnisse der ersten Förderperiode und Ziele der zweiten Förderperiode

In der ersten Förderperiode wurden neue Messgrößen, -methoden und Sensoransätze untersucht, Proof-of-Concept-Feldmessungen realisiert sowie Umwelt- und Drohneneinflüsse und erste Zusammenhänge zwischen Messgüte und Ressourcen modelliert.

Darauf aufbauend liegt der Fokus der zweiten Förderperiode auf der Erweiterung von Einzel- zu Mehrdrohnenmesssystemen, insbesondere durch kooperative Messansätze. Messfähigkeiten sollen erweitert und zugleich der Ressourcenbedarf bei vorgegebener Messgüte minimiert werden. Daraus ergeben sich drei übergeordnete Forschungsziele: (1) standardisierte Dokumentation von Messgüte, eingesetzten Ressourcen und Messumgebungen, (2) Minimierung des Ressourcenaufwands für eine erforderliche Messgüte und (3) gezielte Anpassung der Messfähigkeiten an eine benötigte Messgüte.

Arbeitsprogramm

Das SPP konzentriert sich weiterhin auf vier Messgrößenkategorien: (1) Geometrie einschließlich Deformation, (2) Position, Vibration und Akustik, (3) Stoffeigenschaften von Festkörpern und Flüssigkeiten sowie (4) Stoffeigenschaften von Partikeln und Gasen. Untersucht werden aktive Systeme, die Signale aussenden und die Antwort dazu auswerten, sowie lokal messende Sensorsysteme. Als fliegende Plattformen werden ausschließlich Multikopter betrachtet. Grundlage für die Bewertung der Messunsicherheit ist der „Guide to the expression of uncertainty in measurement“ (GUM).

In der zweiten Förderperiode soll untersucht werden, wie Mehrdrohnenmesssysteme – insbesondere auch durch Kooperation heterogener Einzelsysteme – Messfähigkeiten erweitern können. Im Fokus stehen zudem ressourcenbewusste Sensorik, Signalverarbeitung und Kommunikation, die vertiefte Analyse von Umwelt- und Drohneneinflüssen sowie Methoden und Modelle, die Messgüte und Datenumfang mit den eingesetzten Ressourcen verknüpfen. Ziel ist eine an der benötigten Messgüte ausgerichteten Auslegung eines fähigen und ressourcenschonenden Gesamtmesssystems.

Anforderungen und Abgrenzung

Voraussetzung für die Antragseinreichung ist ein bekanntes oder in Feldstudien erprobtes Messkonzept für ein Einzeldrohnenmesssystem mit vorhandener Datenbasis und vollständigen Messergebnissen. Untersucht werden aktive Systeme sowie lokal messende Sensorsysteme. Als Plattformen sind ausschließlich Multikopter mit einer Nutzlast bis zehn Kilogramm zugelassen. Mehrdrohnen­messsysteme sind auf maximal vier drohnenbasierte Messeinheiten begrenzt, um die Arbeiten nicht auf Vervielfältigung und technische Parallelisierung, sondern die Wirkmechanismen zu fokussieren.  Außerdem werden die wissenschaftlichen Fragestellungen auf die im Arbeitsprogramm benannten Messgrößenkategorien eingegrenzt, um Vergleiche verschiedener Messansätze durchführen zu können. Erforderlich ist zudem nachweisbare Kompetenz in der Bestimmung der Messunsicherheit nach GUM. Untersuchungen der Messunsicherheit, Einflussgrößen und Anpassungsfähigkeit eines Einzelsystems sind nur dann Gegenstand des SPP, wenn dieses in ein Mehrdrohnenmesssystem eingebettet ist.

Von dieser Ausschreibung nicht abgedeckt sind:

• Qualitative „Messungen“

• Messungen von außerhalb des Höhenbereichs 0,5 m bis 300 m 

• Passive kamerabasierte Messverfahren im sichtbaren Bereich 
  sowie Arbeiten, 

• die eine Messgröße außerhalb des Fokus des SPP verfolgen,

• die allein auf Einzeldrohnenmesssysteme oder auf Drohnenschwärme mit > 4 drohnenbasierten Messeinheiten abzielen,

• ohne Vorarbeiten/-erfahrungen mit mindestens einer vorhandenen und für das Projekt nutzbaren Drohne, 

• die auf nicht bekannten Einzeldrohnenmesssystemen oder auf nicht existierenden Proof-of-Concept-Feldstudien (und der damit einhergehenden Datenbasis und vollständigem Messergebnis) für ein Einzeldrohnenmesssystem fußen (Vorarbeit),

• zu Messsystemen ohne Freifeldexperimente mit fliegender Drohne,

• ohne Auswertung des Messunsicherheitsbudgets und der Ressourcen,

• die auf eine Optimierung der gegebenen Flugregelung der Drohne und koordinierte Flugsteuerung von Mehrdrohnensystemen abzielen,

• die keine Multikopter mit Nutzlast ≤ 10 kg als fliegende Plattform verwenden,

• ohne nachweisliche Anwendungskompetenz der GUM,

• mit Forschungsfokus auf die Automatisierung, Autonomität oder Big-Data-Auswertungen.

Reichen Sie Ihren Antrag in englischer Sprache bitte bis spätestens 31. Januar 2027 bei der DFG ein. Zur Erfassung der antragsbezogenen Daten und zur sicheren Übermittlung von Dokumenten erfolgt die Antragstellung ausschließlich über das elan-Portal(externer Link). Bitte wählen Sie unter „Antragstellung – Neues Projekt/Antragsskizze – Schwerpunktprogramm“ im elektronischen Formular aus der angebotenen Liste „SPP 2433 – Messtechnik auf fliegenden Plattformen" aus.

Berücksichtigen Sie beim Aufbau Ihres Antrags bitte das Merkblatt Programm Sachbeihilfe (DFG-Merkblatt 50.01(interner Link)) und den Leitfaden für die Antragstellung – Projektanträge (DFG-Merkblatt 54.01(interner Link)).

Handelt es sich um Ihren ersten Antrag bei der DFG, beachten Sie, dass Sie sich vor der Antragstellung im elan-Portal registrieren müssen. Ohne Registrierung bis zum 15. Januar 2027 ist eine Antragstellung nicht möglich. Die Bestätigung der Registrierung erfolgt in der Regel bis zum darauffolgenden Arbeitstag.

Gleichstellung und Diversität

Die DFG begrüßt ausdrücklich Antragstellungen von Forscher*innen aller Geschlechter und sexueller Identitäten, mit verschiedenen ethnischen, kulturellen, religiösen, weltanschaulichen oder sozialen Hintergründen, verschiedener Karrierestufen, Hochschultypen und Forschungseinrichtungen sowie mit Behinderung oder chronischer Erkrankung. Im Hinblick auf den fachlichen Schwerpunkt dieser Ausschreibung fordert die DFG insbesondere Wissenschaftlerinnen explizit auf, Anträge zu stellen.

Gute wissenschaftliche Praxis

Nach einem Beschluss der DFG-Mitgliederversammlung dürfen Fördermittel der DFG nur an wissenschaftliche Einrichtungen vergeben werden, welche die im Kodex zur Sicherung guter wissenschaftlicher Praxis(externer Link) niedergelegten Leitlinien in eigenes Recht umgesetzt haben. Für die rechtsverbindliche Umsetzung ist die Leitung Ihrer Institution zuständig. Um eine Auszahlung von Fördermitteln nicht zu verzögern, prüfen Sie daher bitte frühzeitig einrichtungsintern, ob eine Umsetzung erfolgt ist. Hinweise zur Umsetzung finden Sie im Portal „Wissenschaftliche Integrität“(externer Link). Für weitere Fragen und Erläuterungen steht das innerhalb der DFG-Geschäftsstelle zuständige Team Wissenschaftliche Integrität(externer Link) zur Verfügung.

Weiterführende Informationen 

Weitere Informationen entnehmen Sie bitte auch dem Internetauftritt des SPP: SPP 2433 - Universität Bremen(externer Link)

Please refer to the website for an English version(interner Link) of this information.

Für inhaltliche Rückfragen steht Ihnen der Koordinator des Schwerpunktprogramms zur Verfügung: 

Professor Dr.-Ing. Andreas Fischer(externer Link), Universität Bremen, Fachbereich 04: Produktionstechnik Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Telefon: +49 421 / 218-64600

Bitte nutzen Sie zur Einreichung der Anträge das elan-Portal(externer Link) und beachten Sie das Merkblatt Programm Sachbeihilfe (DFG-Merkblatt 50.01(interner Link)) sowie den Leitfaden für die Antragstellung – Projektanträge (DFG-Merkblatt 54.01(interner Link)). Hilfreich können auch die FAQs zur Antragsvorbereitung(interner Link) sein.

Ansprechpersonen in der DFG-Geschäftsstelle

Fachlich: Dr. Ylva Schuberth(externer Link), Mathematik und Ingenieurwissenschaften 2, Tel. +49 228 885-2871

Formal: Nils Hoth(externer Link), Mathematik und Ingenieurwissenschaften 2, Tel. +49 228 885-3129