Eine Falt-Drohne saust kompakt durch Löcher - wissenschaft.de
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Eine Falt-Drohne saust kompakt durch Löcher

Erneut hat die Natur gezeigt, wie’s geht: Um durch kleine Öffnungen zu fliegen, legen Vögel geschickt kurzzeitig ihre Flügel an. Dieses System hat Forscher nun zur Entwicklung einer Falt-Drohne inspiriert: Sie kann ihre Propellerarme bei Bedarf eigenständig einfahren, um beispielsweise durch kleine Öffnungen zu Einsturzopfern zu gelangen.

Autonom agierende Flugroboter gelten als ideale Kundschafter in zerklüfteten und gefährlichen Umgebungen, wie etwa in den Trümmern eingestürzter Gebäude. Sie können dort Videos aufzeichnen, durch Sensoren Informationen sammeln und Personen aufspüren, die sonst nicht zugänglich wären. Doch dabei gibt es bisher einen limitierenden Faktor: Eine Drohne kann bei ihrer Mission nur durch Öffnungen fliegen, die mindestens so breit sind wie die größte Entfernung zwischen ihren Rotorspitzen. Eine Ansatz ist deshalb, sie möglichst klein zu gestalten – doch das ist keine optimale Lösung: Sie büßen dadurch deutlich an Leistungsfähigkeit ein.

Vögel machen es vor

Das Entwicklerteam um Davide Falanga von der Universität Zürich präsentiert nun einen cleveren Lösungsansatz, der eine gewisse Kombination von Größe und Einsatzfähigkeit ermöglicht. Inspiriert von Vögeln, die bei Platzknappheit ihre Flügel einklappen, verschlankt sich ihre Drohne kurzzeitig in der Luft, um Ritzen oder kleinere Löcher durchfliegen zu können. Nach der Passage vergrößert das Gerät dann fix wieder seine Spannweite und kann auf diese Weise sogar vergleichsweise schwere Gegenstände transportieren.

Ein flexibles und buchstäblich cleveres Design ermöglicht diese Fähigkeiten: Die vier unabhängig drehbaren Propeller des Quadrokopters sitzen auf mobilen Armen, die dank Servomotoren schnell um den Hauptrahmen geschwenkt werden können. Verantwortlich dafür ist ein raffiniertes Steuerungs- und Wahrnehmungsystem in dem Gerät. Es reguliert in Echtzeit jede neue Position der Arme und passt auch die Propellergeschwindigkeit der jeweiligen Lage an. „Durch die integrierten Wahrnehmungs- und Kontrollsysteme ist unsere Drohne sehr agil und autonom einsetzbar“, resümiert Falanga.

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Ziel: Völlig autonome Rettungsarbeit

Das Gerät macht sich allerdings nicht nur einfach klein: „Je nachdem was beim Einsatz nötigt ist, kann die Drohne verschiedene Konfigurationen annehmen“, sagt Co-Autor Stefano Mintchev von der Universität in Lausanne. Wie er erklärt, ist die Standardkonfiguration des Geräts X-förmig: Die vier Arme sind dabei ausgestreckt und die Propeller haben einen möglichst großen Abstand zueinander. Um einen engen Durchgang zu passieren, kann die Drohne in eine H-Form wechseln, bei der alle Arme entlang einer Achse ausgerichtet vorliegen.

Sie kann sich allerdings auch noch deutlich kompakter machen: Die Drohne bildet dabei eine O-Form, wobei sie alle Arme möglichst nah am Zentrum positioniert. Auf diese Weise kann sie beispielsweise durch ein Loch nach oben oder unten schweben. Wie die Forscher zeigen, kann das Gerät außerdem noch eine T-Form bilden, bei der zwei der Arme hinten zusammenrücken, während die anderen beide sich in einer Linie zueinander ausrichten. An dem entstehenden T-Strich kann dann eine Onboard-Kamera Nahaufnahmen von Objekten machen.

Wie die Forscher berichten, werden sie nun weiter an ihrem Prototyp tüfteln. Sie wollen die Struktur der Drohne so weiterentwickeln, dass sie sich sogar in allen drei Dimensionen zusammenfalten lässt – sich also auch oben und unten verschlanken kann. Außerdem arbeiten sie an der Intelligenz des technischen Rettungshelfers. Ziel ist es dabei, die Drohne in einem Katastrophenszenario völlig autonom nach vermissten Personen suchen lassen zu können, um etwa den besten Weg für die Bergung aufzuzeigen. „Wir wollen erreichen, dass man die Drohne nur anweisen muss: Ins Gebäude fliegen, jeden Raum inspizieren und zurückzukommen!“, sagt Falanga.

Quelle: Universität Zürich, IEEE Robotics and Automation Letter, doi: 10.1109/LRA.2018.2885575

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