FlexiQuad: die kollisionsfeste Ringdrohne der ETH Zürich
Erfinder melden eine Patentanmeldung für einen agilen Quadcopter an, der sich bei Aufprall verformt und bei Geschwindigkeiten bis 80 km/h flugfähig bleibt.
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Robotikforscher der ETH Zürich haben einen Quadcopter ohne starren Zentralkörper entworfen, der Kollisionen absorbiert, ohne abzustürzen. Die von Luca Girardi und Stefano Mintchev erfundene ringförmige FlexiQuad-Drohne nutzt einen elastischen Rahmen, der sich bei Aufprall seitlich biegt und dabei die für den Flug nötige vertikale Steifigkeit behält. Die Erfinder haben eine Patentanmeldung für das Gerät eingereicht, das zudem für den Spark Award der Hochschule nominiert wurde.
Ein Ringrahmen nach dem Vorbild von Insektenflügeln
Mehr als ein Jahrhundert lang setzten Multirotor-Drohnen auf eine starre zentrale Nabe, die nach außen gerichtete Arme trägt. Wie TechXplore berichtet, kehrten Luca Girardi und Stefano Mintchev diese Architektur um, indem sie den zentralen Rumpf vollständig entfernten. Die Komponenten, darunter die Rotoren, Steuermodule und die Stromversorgung, sind über einen flexiblen, kreisförmigen Umfang verteilt.
Das mechanische Verhalten des Rahmens leitet sich direkt von biologischen Strukturen ab. Das Team analysierte die anisotrope Flexibilität von Insekten- und Vogelflügeln, die bei Flügelschlägen dem Biegen widerstehen, sich aber bei Hindernissen verformen. FlexiQuad funktioniert nach derselben Logik: Der Rahmen biegt sich horizontal, um Aufprallenergie zu absorbieren, bleibt aber vertikal steif, sodass der Propellerschub direkt in die Beschleunigung des Fluggeräts umgesetzt wird. Der Prototyp des Fluggeräts kostet an Rohmaterialien weniger als 15 Schweizer Franken, und die Ringelemente lassen sich zerlegen, um flach in ein Gepäckstück zu passen.
„Weich bedeutet nicht automatisch langsam.“
— Luca Girardi, Forscher an der ETH Zürich
Aufpralle bei 25 km/h überstehen
Weiche Luftfahrzeuge leiden oft unter trägen Flugeigenschaften, doch die von den Erfindern durchgeführten Tests zeigten, dass sich FlexiQuad in freier Luft wie ein standardmäßiger starrer Quadcopter verhält. Der Prototyp erreicht lineare und Winkelbeschleunigungen auf dem Niveau herkömmlicher Modelle und Spitzengeschwindigkeiten von 80 km/h.
Die Überlebensfähigkeit bei Abstürzen wurde in physischen Hindernistests bewertet, über die TechXplore berichtet. Die Forscher flogen die Drohne mit Geschwindigkeiten von bis zu 25 km/h direkt gegen feste Barrieren. Beim Kontakt verformte sich der elastische Umfang kurzzeitig, gab kinetische Energie ab und sprang in seine Form zurück, ohne die Maschine aus dem Gleichgewicht zu bringen. Girardi merkte an, dass die Testgeschwindigkeiten vor allem durch den für die Beschleunigung vor dem Aufprall nötigen Innenflugkorridor begrenzt waren, nicht durch die physikalischen Grenzen des Rahmens.
Nutzlasten tragen und Erholung durch Reflexe
Die offene Architektur erweitert die mechanischen Aufgaben, die das Fluggerät übernehmen kann. Da sich der Ring aktiv um Ziele zusammenziehen kann, kann FlexiQuad Gegenstände durch seine zentrale Öffnung greifen und transportieren. In Labortests sicherte und transportierte der Prototyp erfolgreich ein weiches Erste-Hilfe-Set und trug dabei eine Nutzlast, die schwerer war als seine eigene Strukturmasse. Zu den in der Patentanmeldung beschriebenen Anwendungen gehören die Inspektion von Ballasttanks auf Frachtschiffen, die Erkundung eingestürzter Gebäude bei Such- und Rettungseinsätzen und das Ausbringen eines Netzes über den hohlen Rahmen, um unerwünschte Drohnen einzufangen.
Der Betrieb eines verformbaren Fluggeräts bringt Herausforderungen für die autonome Navigation mit sich. Vibrationen nach einem Aufprall können Kamerabilder kurzzeitig verwischen und die Zustandsschätzung stören. Um dies zu lösen, setzten die Forscher Reinforcement-Learning-Algorithmen ein, die auf bordeigene Inertialsensoren zurückgreifen und automatische biologische Reflexe nachahmen, um die Fluglage unmittelbar nach einem Hindernisaufprall zu stabilisieren, bevor die Steuerung wieder an die regulären Navigationsroutinen übergeht.
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