Im Masterstudium zum Jet Propulsion Laboratory der NASA: Lorenzo Miarelli arbeitet zu Zustandsschätzung von Drohnen

Wie kann eine Drohne möglichst genau ihren Zustand und ihre Position einschätzen, selbst wenn sie in einer Region ohne gutes GPS-Signal und mit nur wenigen visuellen Unterscheidungsmerkmalen wie beispielsweise in einer Wüste fliegt? Lorenzo Miarelli arbeitet im Rahmen seiner Masterarbeit an mathematischen Methoden, die Drohnen und Roboter bei der autonomen Navigation unterstützen sollen.

Wenn ein Mensch mit verbundenen Augen in einem finsteren Raum steht, fällt es ihm in der Regel schwer, zu orientieren und in dem Raum Aufgaben ohne externe Hilfe zu lösen. Vor ähnlichen Herausforderungen stehen Drohnen und Roboter, die in Regionen ohne GPS-Versorgung und ohne Sensoren, die ihnen ausreichend Selbst-Wahrnehmung über ihre Position bieten, möglichst autonom navigieren und Missionen erfüllen sollen. Lorenzo Miarelli arbeitet mit seinem Master-Projekt daran, die Robustheit der Navigation von Robotern und Drohnen zu verbessern: „Die Drohnen und Roboter sollen besser verstehen, wo sie sich befinden und wie sie sich bewegen, und das sogar in Situationen, in denen sie sich üblicherweise verirren oder Fehler machen.“ Dies sei die Grundvoraussetzung für das Erfüllen vieler Aufgaben, die sie künftig übernehmen sollen. Das Schlüsselwort sei dabei Autonomie: „Arbeiten sie autonom, können auch komplexere Aufgaben übernommen werden. Roboter und Drohnen können so auch in herausfordernderen Umgebungen zum Einsatz kommen. Damit steigt aber auch die Komplexität der Forschungsarbeiten, die nötig sind, um die Voraussetzungen dafür zu schaffen“, erklärt Lorenzo Miarelli.

Der Einsatz von Drohnen und Robotern ist besonders in unstrukturierten Umgebungen eine Herausforderung – vergleichbar mit einem leeren Blatt Papier. „Der Sensor, mit dem wir häufig arbeiten, ist die Kamera. So wie Menschen ihre Augen nutzen, um Orientierungspunkte zu finden, extrahieren wir mit der Kamera wichtige Merkmale aus einem Bild und verwenden diese, um die Bewegung des Roboters relativ zu diesen Orientierungspunkten zu verfolgen“, erklärt Miarelli. „Wenn jedoch alles mehr oder weniger gleich aussieht, wie beispielsweise in einer Wüste, ist es schwierig, markante Punkte zu finden, um Bewegungen zu verfolgen.“ Hier kommt es entscheidend darauf an, Daten von mehreren Sensoren geschickt zu fusionieren und eine ausgeklügelte mathematische Struktur zu verwenden. Die interessante Herausforderung besteht darin, all diese Daten so zu integrieren und zu verarbeiten, dass die Navigation auch in Regionen mit relativ geringer Strukturierung zuverlässig, autonom und robust funktioniert.

Lorenzo Miarelli beschäftigte sich von April bis November 2025 im Rahmen eines Forschungsaufenthalts am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Kalifornien mit Fragen wie diesen. Nun ist es für ihn an der Zeit, die Arbeit abzuschließen und seine Masterarbeit einzureichen.

Gefragt danach, wie es zu diesem ungewöhnlichen Forschungsaufenthalt kam, erzählt Lorenzo Miarelli: „Sowohl Stephan Weiss, Professor und Leiter der Gruppe Control of Networked Systems, als auch Roland Brockers, der als Professor an der Universität Klagenfurt und am JPL tätig ist, hatten in ihren Vorlesungen die Möglichkeit eines Praktikums am JPL erwähnt. Da mich insbesondere das Arbeitsgebiet von Stephan Weiss faszinierte, wandte ich mich mit einem konkreten Ziel an ihn: Ich fragte ihn, ob ich meine Abschlussarbeit unter seiner Betreuung zu einem Thema schreiben könnte, das auch für das JPL von Interesse wäre. Nach einem gemeinsamen Treffen mit ihm und Roland Brockers gaben sie grünes Licht, und mein Traum wurde wahr.“ Die Monate in Kalifornien habe er ungemein genossen: „Die Forschungseinrichtungen der NASA bilden nicht nur einen faszinierenden Campus, auch die Natur drumherum ist beeindruckend. Auf dem Weg zum Büro begegnet man in strahlendem Sonnenschein Eichhörnchen, Kolibris, Rehen und vielen anderen Tieren. Ich war jeden Tag glücklich, in der Früh aufzustehen und an diesen unglaublichen Arbeitsplatz zu gehen: ein globaler Knotenpunkt für die Weltraumforschung, an dem Daten aus den entferntesten Bereichen unseres Sonnensystems zusammenlaufen, um uns zu helfen, unseren Platz im Kosmos zu verstehen – ein Ort, der passenderweise als ‚Zentrum des Universums‘ bekannt ist.“

Lorenzo Miarelli wird in Kürze seinen Master-Abschluss in Information and Communications Engineering an der Universität Klagenfurt absolvieren und damit einen wichtigen Meilenstein auf seiner länderüberschreitenden Bildungsreise erreichen, die in Rom ihren Anfang nahm. Nach seinem Bachelor-Abschluss in Maschinenbau an der Sapienza Università di Roma im Jahr 2022 führte ihn ein erstes sechsmonatiges ERASMUS-Praktikum bei JOANNEUM Research nach Österreich.

Was als kurzer Aufenthalt begann wurde, entwickelte sich zu einem neuen Kapitel in seinem Leben: Er arbeitete weiterhin als Robotics Research Engineer bei JOANNEUM Research und belegte gleichzeitig – nur fünf Minuten von seinem Arbeitgeber entfernt – das Masterstudium mit dem Schwerpunkt „Robotics and Autonomous Systems“ an der Universität Klagenfurt. Klagenfurt bietet für ihn als Arbeits- und Studienort viele Vorteile: „Der Ort ist unglaublich international. Gleichzeitig finde ich hier die Ruhe, aber auch die Inspiration und die Unterstützung, in meinem Feld intensiv und effizient voranzukommen.“ Diese Leidenschaft für „exakte Wissenschaften“ reicht bei ihm lange zurück. Schon in der Schule sei Lorenzo Miarelli jemand gewesen, der die Herausforderungen bei Mathematik-Olympiaden genoss: „Ich habe immer schon eine große Leidenschaft für Mathematik und Physik. Dabei war mir lange gar nicht bewusst, dass Robotik ein so spannendes Arbeitsfeld bieten könnte, in dem ich meinen Faible für die Mathematik so umfassend einbringen kann. Dass ich nun sogar an Robotern im All arbeiten durfte, ist für mich natürlich ein absolutes Highlight.“