ICRA: Wenn die Drohne aus der T-Shirt-Kanone kommt

Ungewöhnliche Drohnenkonzepte auf der ICRA: eine Drohne aus der Kanone, eine amphibische Drohne und ein Starrflügler, der ungewöhnliche Flugmanöver hinlegt.

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(Bild: Amanda Bouman (Screenshot YouTube))

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Beim Design von Drohnen geht es zuerst oft um die grundlegende Entscheidung: Starrflügler oder Drehflügler? Starre Tragflächen wie bei konventionellen Flugzeugen ermöglichen längere Flugzeiten, die rotierenden Tragflächen eines Hubschraubers dagegen erlauben eine größere Beweglichkeit wie auch das Schweben über einem Punkt. Studien, die bei der diesjährigen Robotik-Konferenz ICRA präsentiert werden, zeigen aber, dass die Möglichkeiten zwischen diesen beiden Polen noch längst nicht ausgeschöpft sind.

So stellt Amanda Bouman (Caltech) eine Drohne vor, die mit einer Art Kanone gestartet wird und erst während der ballistischen Flugphase ihre Rotoren entfaltet und in Gang setzt. Eine solche Methode ermögliche etwa Rettungskräften aber auch dem Militär den raschen und unkomplizierten Einsatz von Drohnen zum Informationsgewinn. Auch bei der Erkundung anderer Planeten könne das Prinzip zum Einsatz kommen: So könne ein Multikopter an Bord einer Marssonde bereits während des Landeanflugs ausgeworfen werden und dadurch größere Gebiete erkunden, erklärt Bouman. Auf diese Weise ließe sich womöglich auch erstmals die Landung einer Sonde auf dem Mars filmen.

Das von Bouman und ihrem Forschungsteam entwickelte Design nennt sich SQUID (Streamlined Quick Unfolding Investigation Drone) und knüpft an die vorangegangene kleinere Version µSQUID an. Die konnte von einem mit fast 90 km/h fahrenden Auto gestartet werden, allerdings gesteuert von einem Operator mit Sichtkontakt. Bei der 3,3 kg schweren SQUID dagegen erfolgt der Übergang von der ballistischen zur aktiven Flugphase komplett autonom, ausschließlich mithilfe von Sensoren an Bord der Drohne. Die Stabilisierungsflossen und die Rotorarme des Hexakopters entfalten sich mithilfe vorab gespannter Federn unmittelbar nach Verlassen der Startröhre. Während dieser Entfaltungsphase wird der Flug passiv stabilisiert, die Ausrichtung der Drohne mithilfe einer inertialen Messeinheit kontrolliert. Sobald die Rotoren die nötige Drehzahl erreicht haben, übernehmen sie die Kontrolle. Zunächst wird die Höhe anhand des Luftdrucks stabilisiert, danach mithilfe visueller Informationen auch die Position über dem Boden kontrolliert.

In Videoaufnahmen ist unter anderem gut zu erkennen, wie sich die Drohne im Windtunnel zur Windrichtung ausrichtet. Entscheidend für die Flugstabilisierung sei es, so Bouman, dass die Rotoren ihre volle Drehzahl vor dem Scheitelpunkt der ballistischen Flugbahn erreichen. Für ihre Experimente haben die Forscher SQUID mit einer mit Druckluft arbeitenden T-Shirt-Kanone gestartet. Mit einem Druck von maximal 6,9 Bar ließ sich die Drohne bis zu 32 Meter hoch schießen, wobei sie Belastungen von etwa 21 G aushalten musste. Zukünftig soll sie in schwierigeren Windverhältnissen getestet werden. Außerdem soll die Entfaltung der Flossen und Rotorarme verzögert werden, um die Reichweite für den ballistischen Flug zu vergrößern.

Mehrere Drohnenstarts per Kanone im Video
(Quelle: Amanda Bouman)

Yu Herng Tan (National University of Singapore) und Ben M. Chen (Chinese University of Hong Kong) zielen mit ihrer Studie gewissermaßen in die entgegengesetzte Richtung: Sie stellen eine Drohne vor, die nicht nur in die Höhe fliegen, sondern auch untertauchen kann. Die bisher existierenden Konzepte für solche amphibischen Drohnen seien unbefriedigend, sagt Tan. Sie orientierten sich vornehmlich an Flugrobotern, die lediglich mit kleinen Ergänzungen für den Betrieb im Wasser ausgestattet würden. Die Forscherin fordert eine bessere Balance zwischen den Funktionen für Luft und Wasser.

Der von ihr vorgestellte Prototyp einer flug-, schwimm- und tauchfähigen Drohne baut darauf auf, dass der Antrieb unterschiedlich ausgerichtet werden muss, je nachdem, ob sie sich über, auf oder unter der Wasseroberfläche bewegt. Daher können die Rotoren um bis zu 180 Grad gedreht und damit den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Im Unterschied zu anderen Konzepten, die stets die Drehung des gesamten Roboters erforderten, bliebe so die Ausrichtung anderer Komponenten wie etwa einer Kamera unverändert, so Tan. Durch symmetrische Koppelung der Rotoren könne die Mechanik zudem einfach gehalten werden, sodass für deren Ausrichtung nur ein Servomotor erforderlich sei. Im Video ist gut zu erkennen, wie die 505 Gramm schwere und 25 Zentimeter durchmessende Drohne den Wechsel zwischen Flug-, Tauch- und Schwimmphase bewältigt und sich aus dem Wasser auch wieder in die Luft erhebt.

Drohnen können auch tauchen und sind so flexibel einsetzbar.
(Quelle: YH Tan)

Beide Studien sind in der Kategorie Unmanned Aerial Vehicles (UAV) für den Best Paper Award nominiert. Der dritte Anwärter auf den Preis wirkt daneben auf den ersten Blick eher unspektakulär: Juan Carlos Hernandez und Meyer Nahon (McGill University) geht es nur ums ganz normale Fliegen. Allerdings ermöglicht das von ihnen vorgeschlagene Kontrollverfahren einem Starrflügler Flugmanöver, die man sonst nur von Multikoptern kennt: rasante Wendungen, senkrechter Steigflug, Schweben auf der Stelle. Statt der Grenzen zwischen Luft und Wasser oder Kanonenkugel und Drohne wird hier die Grenze zwischen den Flugkörperdesigns aufgehoben.

Das Video zeigt, wie die Grenzen zwischen den Flugkörperdesigns aufgehoben werden können.
(Quelle: ICRA 2018)

(olb)