Flughörnchen-Drohne fliegt besser als herkömmliche Drohnen
Können Quadrokopter Flugmanöver noch besser ausführen? Ja, sagen südkoreanische Forscher, die eine Drohne mit variablen Flügeln und KI-Steuerung ausstatten.
Die Flughörnchen-Drohne verstellt ihre Silikon-Flügel je nach Flugsituation selbstständig.
(Bild: Dohyeon Lee, jun-Gill Kang und Soohee Han)
Ein Wissenschaftsteam der südkoreanischen Pohang University of Science and Technology und des AI Autonomy Technology Center der Agency für Defense Development (ADD) haben eine viermotorige Drohne mit Faltflügeln entwickelt, die von einem Flughörnchen inspiriert ist. Die Drohne erzielt durch die variabel einstellbaren Flügel bei speziellen Flugmanövern ein deutlich besseres Flugverhalten. Bei welchen Manövern der Flugroboter die Faltflügel wie einsetzt, entscheidet die Flughörnchen-Drohne selbst.
Flughörnchen, eine Eichhörnchenart, die einen zwischen den Vorder- und Hinterbeinen gespannten Hautlappen besitzt, um damit Sprünge zwischen Bäumen fliegend überbrücken zu können, haben erstaunliche Flugeigenschaften. Sie nutzen die Hautlappen nicht nur als Flügel zum Gleiten, sondern bremsen damit etwa auch den Flug gezielt ab, um sanfter an einem Baum oder auf einem Ast landen zu können.
Die südkoreanischen Wissenschaftler haben sich diese Eichhörnchenart zum Vorbild genommen, um die Flugeigenschaften einer Quadrokopter-Drohne zu verbessern, wie sie in der Studie "A highly maneuverable flying squirrel drone with agility-improving foldable wings" schreiben, die im Preprint auf Arxiv erschienen ist. Die Forscher gingen dabei von der Annahme aus, dass die Drohne durch den Einsatz der Faltflügel ihre dynamischen Fähigkeiten erweitern kann, indem sie den Luftwiderstand beim Ausbreiten der Flügel nutzt.
Variable Flügel mit KI-Steuerung
Die Wissenschaftler statteten den Quadrokopter mit einer motorisch bewegten Mechanik aus, mit deren Hilfe Silikon-Flügel ein- und ausgefahren werden können. Die Flügel erzeugen im Flug zusätzlichen Auftrieb, können aber auch bei bestimmten Flugmanövern zum Abbremsen des Flugs genutzt werden – in Abhängigkeit davon, wie stark die Flügel ein- oder ausgefahren werden. Bei der Ausführung von Flugmanövern mit hoher Beschleunigung wie etwa bei schnellen Stopps und dem Fliegen enger Kurven erzielt das System dadurch eine hohe Leistung.
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Allerdings war der Weg dahin lang. Denn die Flügelmembran beeinträchtigt die Flugleistung in herkömmlichen Flugszenarien und führt etwa zu einem ungenauen Geradeausflug. "Um in diesen Szenarien sicher und zuverlässig arbeiten zu können, muss die Flughörnchen-Drohne in der Lage sein, situationsabhängig zu entscheiden, wann sie ihre Flügel aus- oder einfährt, und die Rotoren müssen in der Lage sein, den entsprechenden Schub zu erzeugen", erklären die drei beteiligten Wissenschaftler Dohyeon Lee, Jungill Kang und Soohee Han.
Die drei Forscher trainierten dazu eine Künstliche Intelligenz (KI), um vorhersagen zu können, wie hoch der von den Silikon-Flügeln erzeugte Luftwiderstand in der jeweiligen Flugsituation ist. Zusätzlich entwickelten sie eine Schub-Flügel-Koordinierung, um mit den Vorhersagen zum Luftwiderstand die Flügel und Antriebsrotoren so steuern zu können, dass eine optimale Flugsteuerung erfolgt. Durch das schnelle Ein- und Ausfahren der Silikon-Flügel werden die herkömmlichen Flugeigenschaften des Quadrokopters beibehalten und in speziellen Flugsituationen unterstützt und dadurch verbessert.
Eine hohe Rechenleistung benötigt der Luftwiderstands-Algorithmus nicht, heißt es von den Wissenschaftlern. Sie nutzen einen einfachen Mikrocontroller der Arduino-Klasse für die Onboard-Berechnungen. Entsprechend kann das System auch recht einfach auf anderen Quadrokopter-Drohnen genutzt werden.
"Wir planen nun, zusätzliche Funktionen zu implementieren, die von echten Flughörnchen inspiriert sind. Insbesondere wollen wir das Gleitverhalten der Flughörnchen-Drohne untersuchen und eine Art von Landegestell und Steuerungsstrategien entwickeln, die es der Drohne ermöglichen, schnell abzubremsen und an Wänden oder Bäumen zu landen, ähnlich wie echte Flughörnchen", sagen die drei Forscher.
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In einem weiteren Schritt wollen sie die Bewegungsplanung der Flughörnchen-Drohne genauer erforschen, um die sich je nach Flugsituation ändernden dynamischen Eigenschaften des Flugsystems besser kontrollieren zu können.
(olb)
