Robotik und Flugregelung Flexible Drohne fliegt auch nach Kollisionen weiter

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Eine Drohne, die sich bei einem Aufprall verformt und anschließend weiterfliegen kann, findet man nicht alle Tage. Forschende der ETH Zürich kombinieren dafür einen flexiblen Rahmen mit lernbasierter Flugregelung.

Herkömmliche Quadrokopter besitzen einen starren Rahmen, der die vier Rotoren trägt. Das ermöglicht eine präzise Flugsteuerung, macht die Fluggeräte aber auch empfindlich gegenüber Zusammenstößen. Forschende der ETH Zürich haben deshalb mit Flexiquad eine Drohne entwickelt, deren Rahmen bei Kollisionen gezielt nachgibt. Der Flugroboter soll so Hindernisse überstehen können, ohne abzustürzen oder beschädigt zu werden.

Anders als klassische Quadrokopter besitzt Flexiquad keinen zentralen Rumpf. Stattdessen sind die vier Rotoren, die Batterien und die Steuerungselektronik auf einem ringförmigen Rahmen verteilt. Dieser ist seitlich flexibel, bleibt in vertikaler Richtung jedoch vergleichsweise steif. Dadurch kann die Konstruktion bei einem Aufprall Energie aufnehmen, während die Rotoren weiterhin die für den Flug notwendigen Kräfte übertragen können. Die Inspiration für dieses Design kommt aus der Natur: Die Flügel von Vögeln und Insekten weisen ebenfalls unterschiedliche Steifigkeiten in verschiedene Richtungen auf.

Bis zu 80 km/h trotz flexiblem Rahmen

Dass eine nachgiebige Konstruktion nicht zwangsläufig zulasten der Flugleistung geht, zeigen die bisherigen Versuche. Laut ETH Zürich erreicht Flexiquad Geschwindigkeiten von bis zu 80 km/h sowie lineare und Winkelbeschleunigungen, die mit denen starrer Drohnen vergleichbar sind.

Bei Kollisionstests flog die Drohne mit bis zu 25 km/h gegen Hindernisse. Dabei verformte sich der Rahmen kurzzeitig und dämpfte einen Teil der Aufprallkräfte. Anschließend konnte Flexiquad seinen Flug fortsetzen. Höhere Kollisionsgeschwindigkeiten wurden nach Angaben der Entwickler vor allem aufgrund des begrenzten Beschleunigungswegs bisher nicht getestet. Die Konstruktion ist zudem modular aufgebaut. Die Materialien für den Rahmen kosten laut Forschungsteam weniger als 15 Schweizer Franken. Durch Öffnen des Rings lassen sich die Rahmenteile platzsparend transportieren.

Flugregelung muss auf Verformungen reagieren

Eine besondere Herausforderung ist die Steuerung des flexiblen Fluggeräts. Nach einem Zusammenstoß können Schwingungen im Rahmen entstehen, die unter anderem Kamerabilder verwischen und damit die Navigation beeinträchtigen. Um die Drohne nach einer Kollision wieder zu stabilisieren, nutzen die Forschenden Reinforcement Learning. Mithilfe der integrierten Bewegungssensoren soll Flexiquad zunächst die Fluglage stabilisieren und anschließend wieder in den autonomen Flug übergehen.

Das Team untersucht außerdem, ob sich Verformungen und Schwingungen des Rahmens künftig selbst als zusätzliche Sensorsignale für die Flugregelung verwenden lassen. Mögliche Anwendungen sieht das Forschungsteam bei Inspektionen, Rettungseinsätzen und Umweltmessungen. Eine flexible Drohne könnte beispielsweise durch enge Öffnungen fliegen oder sich in unübersichtlichen Umgebungen bewegen, ohne bei jedem Kontakt mit einem Hindernis abzustürzen.

Auch zum Greifen und Transportieren von Gegenständen lässt sich die verformbare Struktur nutzen. In Versuchen konnte Flexiquad bereits ein weiches Erste-Hilfe-Set aufnehmen, transportieren und wieder absetzen. Zudem hob die Drohne eine Last, die schwerer war als sie selbst. Bis zu einem praktischen Einsatz außerhalb des Labors sind allerdings weitere Entwicklungsschritte notwendig. Insbesondere die zuverlässige Umfelderfassung und autonome Navigation müssen noch verbessert werden.

Entwickelt wurde Flexiquad von Luca Girardi und Stefano Mintchev am Environmental Robotics Lab der ETH Zürich. Für die Bauweise wurde bereits ein Patent angemeldet. (sb)

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