Flotter Dreier

Ferngesteuerte Flugobjekte, die aussehen wie Helikopter mit mehreren Rotorblättern sind ein beliebtes Technikspielzeug. Die ausgereifteren Varianten solcher „Drohnen“ oder „Multikopter“ sind echte Multitalente. Sie helfen beispielsweise beim Aufspüren von Menschen in zerstörten Gebäuden nach einem Erdbeben oder einer Gasexplosion oder von eingeschlossenen Bewohnern in Hochwassergebieten. Oder sie erstellen spektakuläre Luftaufnahmen von Sportevents, Open-Air-Konzerten oder Landschaften für Dokumentarfilme. Was früher ein Kamerateam an Bord eines Hubschraubers erforderte, erledigen heute die unbemannten ferngesteuerten Flugroboter.

Inzwischen haben auch ingenieurwissenschaftliche Studienrichtungen an Universitäten und Hochschulen das Thema für sich entdeckt. Angehende Ingenieure untersuchen das Steuer- und Lenkverhalten von Multikoptern und entwickeln technische Lösungen für neue Einsatzgebiete. So entstehen am Lehrstuhl für Systemtheorie und Regelungstechnik der Universität des Saarlandes in Saarbrücken unter der Leitung von Institutschef Joachim Rudolph neuartige Multikopter für den zivilen Einsatz. Ihr besonderes Merkmal: Sie haben drei Propellerflügel.

Knifflige Technik an den Rotoren

Das macht die Technologie knifflig: Denn anders als bei den bislang üblichen Multikoptern mit starr montierten Antrieben kommen bei dem sogenannten Trikopter schwenkbare Rotoren zum Einsatz. Denn Trikopter mit starren Rotoren wären flugunfähig, weil sie instabil sind. Sie würden sich um ihre eigene Achse drehen und trudelnd wieder abstürzen.

Die bislang gebräuchlichen Multikopter haben stets eine gerade Zahl von Propellern, um sich auf möglichst einfache Weise stabil manövrieren zu lassen. Meist halten vier Rotorblätter die Maschinen in der Luft. Die Flugdynamik solcher Quadrokopter ist gut beherrschbar, lässt aber nur bestimmte Flugbewegungen zu. Anders bei Rotoren, die nicht starr, sondern um eine feste Achse schwenkbar sind: Sie ermöglichen eine viel bessere Beweglichkeit bei Flugmanövern.

Um das auf die Spitze zu treiben, sollten die angehenden Ingenieure aus dem Saarland den Trikopter so gestalten, dass sich alle drei Rotoren einzeln bewegen lassen. „Dazu musste ein komplexer Aufbau entwickelt werden, der die Grundvoraussetzung für die Realisierung beliebiger Flugmanöver ist“, sagt Joachim Rudolph.

Die jungen Forscher in seinem Team meisterten die Aufgabe mit Bravour. Der von ihnen konstruierte Trikopter ermöglicht beliebige Bahnbewegungen und trotzt allen Störungen, zum Beispiel Windböen. Voraussetzung dafür war die Entwicklung eines leistungsfähigen Bordcomputersystems, das den Trikopter stabil in der Luft hält und zielgerichtet fliegen lässt – eine anspruchsvolle regelungstechnische Aufgabe. Denn schon eine winzige Änderung der Drehzahl oder des Schwenkwinkels eines der Propeller führt zu komplizierten Bewegungsänderungen, die die Steuerung ausgleichen muss.

Die Lösung dieser Aufgabe macht den Trikopter nicht nur äußerst wendig, sondern lässt das neuartige Fluggerät auch in Schrägstellung horizontal fliegen, ohne dass es vorher kippen muss. Und der Trikopter kann in einer Parkposition über einem festen Ort schweben. Auch das gelingt mit einem Quadro-, Sexto- oder Oktokopter nicht. Diese Drohnen können nur in horizontaler Lage fliegen und müssen immer in Bewegung sein, um nicht abzustürzen.

Unter der Leitung des Technischen Kybernetikers Joachim Rudolph und seines Mitarbeiters David Kastelan arbeiteten Studenten ab dem 5. Semester im Rahmen von Praktika fachübergreifend im Trikopter-Projekt. An der Lösung des komplexen Problems beteiligten sich auch zwei Gaststudenten aus Frankreich und Kanada. In Vorarbeiten analysierten die angehenden Ingenieure das Zusammenspiel von Propeller und Flugdynamik des Trikopters und simulierten das Flugverhalten mithilfe von Bewegungsgleichungen, die in mathematischen Modellen formuliert waren. Nach einer Reihe von Flugtests und Korrekturen am technischen System des Trikopters brachten die jungen Forscher die kippelige Flugsituation schließlich unter Kontrolle.

Der entscheidende Kniff war eine Flugregelung, die in jedem Moment die aktuellen Bewegungsdaten auswertet und mit den Vorgaben des „Piloten“ an der Fernsteuerung abgleicht. Dazu messen Sensoren die Drehrate und Beschleunigung des Trikopters und senden die Daten 200 bis 400 Mal pro Sekunde an den Bordcomputer.

Dessen Herzstück, ein Mikrocontroller, verfügt über alle Funktionen, die für eine permanente Regelung des Flugverhaltens notwendig sind. Er berechnet nicht nur die aktuellen Koordinaten des Trikopters, sondern bestimmt auch während des Flugs ständig vorausschauend die weitere Flugbahn. Dank der eigens dafür entwickelten mathematischen Algorithmen erkennt der Bordcomputer, wann der Trikopter eine falsche Bewegung zu machen droht. Dann berechnet er blitzschnell Korrekturbefehle – etwa, um die Drehzahl eines Propellers zu erhöhen oder seine Neigung zu ändern.

Der Horizont bleibt stabil

Die Drohne aus Saarbrücken gewährleistet nicht nur einen „ ruckelfreien“ Flug bei Richtungsänderungen, sondern kann auch in fließenden Übergängen aus einer schwebenden Parkstellung in eine Vorwärtsbewegung wechseln – und umgekehrt. Damit gerät bei Film- und Fotoaufnahmen aus der Luft kein Horizont mehr in „Schieflage“ , wie bei konventionellen Flugrobotern, die für einen horizontalen Flug zunächst gekippt werden müssen.

„Im Gegensatz zu Fluggeräten aus dem Hobbybereich basieren die bei unserer Entwicklung genutzten Regeleingriffe auf einer mathematischen Beschreibung des Flugverhaltens, die aus den Gesetzen der Mechanik abgeleitet wurde und auch bei ungewöhnlichen Flugmanövern gilt“, erklärt der Saarbrücker Institutsleiter Rudolph. „Schließlich soll unser Trikopter völlig autonom spektakuläre Flugmanöver ermöglichen.“ So ist daran gedacht, mehrere Trikopter beim Transport von Lasten zusammenarbeiten zu lassen. Einen weiteren Pluspunkt nennt David Kastelan: „Die Möglichkeit, schwer zugängliches Gelände schnell, gefahrlos, preiswert und ohne großen Aufwand zu erreichen, macht die Technologie etwa für Katastropheneinsätze interessant.“

Künftig wollen die Forscher mit Partnern aus der Industrie zusammenarbeiten, um das Fluggerät zu einem kommerziellen Produkt weiterzuentwickeln. Interessenten dürften sich nicht nur in der Spiele-, Film- und Werbeindustrie finden. Auch viele andere Anwendungen für das „fliegende Auge“ sind denkbar: Es könnte etwa Straßen und Kreuzungen beobachten, bei Grenzkontrollen helfen, das Wachstum von Bäumen in Wäldern oder Ackerpflanzen kontrollieren sowie aktive Vulkane überwachen.

Die Eigner von Windkraftanlagen, Schornsteinen, Fernmeldetürmen oder Strommasten könnten Trikopter zudem nutzen, um die Bauwerke aus der Luft auf Schäden zu inspizieren. David Kastelan betont: „Das wäre deutlich kostengünstiger und weniger gefährlich als die heute üblichen Kontrollen durch menschliche Inspekteure.“ ■

CHRISTINE RITSCHEL aus Saarbrücken ist es wichtig, für innovative Forschungsergebnisse auch innovative Anwendungen aufzuspüren. Der Fotograf OLIVER DIETZE hielt die Flugmanöver in Bildern fest.

von Christine Ritschel (Text) und Oliver Dietze (Fotos)