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Trikopter

Saar-Forscher setzen auf 3 schwenkbare Rotoren

Im Normalfall haben Drohnen vier feststehende Rotoren. Das saarländische Forscherteam um David Kastelan und Joachim Rudolph hat nun einen Flugroboter mit nur drei Rotoren entwickelt. Alle drei sind dabei schwenkbar. Im business-on.de-Interview sprechen die beiden Wissenschaftler der Saar-Uni über die Vorteile ihres Trikopters und die Zukunft von Flugrobotern.

business-on.de: Drohnen erfreuen sich steigender Beliebtheit - sowohl im privaten als auch gewerblichen Bereich. Warum ist das so?

David Kastelan: Lassen Sie mich vielleicht vorausschicken, dass wir statt der mit militärischen Anwendungen assoziierten Bezeichnung "Drohnen" lieber die Bezeichnung "unbemannte Kleinfluggeräte", oder kurz Flugroboter, verwenden.

Ein wesentlicher Grund für deren Beliebtheit ist sicher die gute Verfügbarkeit: Heutzutage sind die mechanischen und elektronischen Komponenten und vor allem auch das Know-how und die erforderlichen Algorithmen für jedermann im Internet verfügbar.

Grundlage dieser Entwicklung sind große Fortschritte bei der Miniaturisierung der Elektronik, die für die Ansteuerung der Motoren, für die Messung der Bewegung und für deren Regelung benötigt wird. Außerdem sind jetzt leistungsfähigere Batterien verfügbar.

Joachim Rudolph: Gegenüber klassischen Modellflugzeugen bieten die sogenannten Multikopter besonders interessante Möglichkeiten, da man sie auf einem sehr kleinen Gebiet - sogar in Innenräumen - fliegen lassen kann.

Da die Multikopter in der Lage sind auf der Stelle zu schweben, kann man sie optimal mit den inzwischen ebenfalls preiswerten Digitalkameras zum Filmen oder Fotografieren einsetzen. So lassen sich verschiedene Hobbys verbinden.

business-on.de: Die meisten heute erhältlichen Flugroboter haben eine gerade Anzahl an Rotoren, oftmals genau vier Stück. Der Trikopter hingegen hat drei. Welche Vorteile und welche Nachteile ergeben sich dadurch?


Joachim Rudolph: Verwendet man fest am Rahmen des Flugroboters befestigte Propeller, so benötigt man davon vier, um einen Schwebeflug zu realisieren und das Gerät im Raum zu manövrieren. Durch eine paarweise Anordnung wird die Flugdynamik leichter beherrschbar. Will man die Traglast erhöhen, verwendet man daher sechs oder acht Rotoren.

Wenn man nun aber wenigstens einen der Propeller um eine feste Achse schwenken kann, reichen drei Rotoren aus. Solche Trikopter haben versierte Bastler schon häufiger gebaut. An unserem Trikopter ist neu, dass man alle drei Propeller schwenken kann. Dadurch hat man gerade so viele Eingriffsmöglichkeiten, wie man sie benötigt, um beliebige Bewegungen zu realisieren. Das ist ein klarer Vorteil!

Ein Nachteil ist das kompliziertere Verhalten: So bewirkt eine Änderung einer Rotordrehzahl oder das Schwenken eines Rotors eine komplexe Änderung der Bewegung. Das heißt, das dynamische Verhalten ist stark verkoppelt und kompliziert.

Deswegen interessieren wir uns am Lehrstuhl für Systemtheorie und Regelungstechnik für diese Aufgabe. Da die Multikopter sehr attraktiv sind, arbeiten auch Studenten gerne an diesem Thema mit. An unserem Trikopter-Projekt waren bereits zwei Gaststudenten aus Frankreich und Kanada beteiligt.

business-on.de: Für den Trikopter wurde ein eigenes Bordsystem entwickelt, das etwa beim Schlingern vollautomatisch gegensteuert. Können Sie einem Laien kurz erklären, wie das funktioniert?

Joachim Rudolph: Die Flugroboter können nur fliegen, wenn eine Flugregelung implementiert ist. Diese wertet die Informationen zur Bewegung aus, die sie von den an Bord befindlichen Drehraten- und Beschleunigungssensoren erhält, und verknüpft diese Daten ständig mit den Vorgaben des Piloten an der Funkfernsteuerung.

So gleicht die Regelung auch Störungen durch äußere Einflüsse aus, beispielsweise durch Wind, indem sie die Ausrichtung und die Drehzahlen der Rotoren anpasst.

Das alles macht ein Mikroprozessor, also ein kleiner Bordcomputer, etwa hundert mal pro Sekunde. Im Gegensatz zu einer typischen Implementierung im Hobbybereich, basiert das "Wie" dieser Regeleingriffe bei unserer Lösung auf einer mathematischen Beschreibung des Verhaltens, die aus den Gesetzen der Mechanik abgeleitet wurde und auch bei ungewöhnlichen Flugmanövern Gültigkeit hat.

business-on.de: Für welche Einsatzzwecke eignet sich der Trikopter besser als seine Konkurrenz - und warum?

David Kastelan: Durch die drei schwenkbaren Propeller ist unser Trikopter besonders wendig. Er kann auch horizontal fliegen ohne gekippt zu werden oder schräg in der Luft stehen. Beides ist mit einem klassischen Quadrokopter nicht möglich, dazu müsste man auch dort schwenkbare Rotoren einbauen.

Joachim Rudolph: Die besondere Wendigkeit unseres Trikopters soll besonders spektakuläre Flugmanöver letztlich auch völlig autonom ermöglichen. Außerdem wollen wir künftig mehrere Trikopter beim Transport von Lasten zusammen arbeiten lassen - aber das ist laufende Forschung.

business-on.de:  In welchen drei Bereichen unseres Lebens werden Ihrer Meinung nach im Jahr 2020 Flugroboter zum Alltag gehören?

Joachim Rudolph: Das ist eine schwierige Frage, die nicht unwesentlich von der allgemeinen Akzeptanz und der Gesetzgebung mitbestimmt wird.

Neben Anwendungen von Drohnen im militärischen Bereich werden wohl Einsätze zur Datenerfassung bei Katastrophen aber auch bei der Überwachung von Großereignissen zur Regel werden.
Alltäglichere Anwendungen liegen im Bereich der Inspektion von Gebäuden, Stromleitungen und anderer schwer zugänglicher Infrastruktureinrichtungen sowie im Bereich von Fotografie, Film und Fernsehen.

David Kastelan: Besonders die Möglichkeit, schwer zugängliches Gelände schnell, gefahrlos und preiswert zu erreichen, macht die Technologie interessant.

(Redaktion)


 


 

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