Highspeed-Drohne landet auf fahrendem Auto bei 110 km/h

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Wissenschaftler der kanadischen University of Sherbrooke haben die experimentelle Drohne DART (Direct Approach Rapid Touchdown) entwickelt, die mit einem speziellen Fahrwerk in der Lage ist, auf Fahrzeugen zu landen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Das Drohnensystem kombiniert ein spezielles Landefahrwerk mit einer ausgeklügelten Steuerung des Landevorgangs.

Die Landung auf flachen Böden stellt für Drohnen keine besonders große Herausforderung dar. Bewegt sich die Landefläche jedoch, ist die Landung nicht mehr so einfach möglich, weil die Drohne dazu aus einer Vorwärtsbewegung heraus stark abbremsen und die verbliebene kinetische Energie abfangen muss, um eine sanfte Landung auf einem beweglichen Objekt durchzuführen.

Die Forscher der University of Sherbrooke haben dabei vor allem zwei Probleme ausgemacht: Zum einen muss sich die Drohne im schnellen Flug aufgrund des Luftwiderstandes stark nach vorn neigen. Dabei ist die Gefahr groß, dass die Rotorblätter bei einer Landung die Landfläche berühren und die Drohne verunfallt. Zum anderen muss die kinetische Energie der Drohne möglichst schnell absorbiert werden, damit der Quadrokopter bei der Landung nicht von der Landefläche abprallt.

Die Wissenschaftler begegnen diesen beiden Problemen mit den vergleichsweise einfach erscheinenden Lösungsansätzen: Umkehrschub und einem Landefahrwerk mit Reibungsstoßdämpfern. Ihre Forschungsergebnisse haben sie in der Studie "Friction Shock Absorbers and Reverse Thrust for Fast Multirotor Landing on High‐Speed Vehicles" festgehalten, die im Journal of Field Robotics erschienen ist.

Elektromotorisch einstellbares Landefahrwerk

Die DART-Drohne landet auf beweglichen Objekten, indem sie schnell und aggressiv absinkt. Das hilft dabei, nicht so stark gegen Windböen ankämpfen zu müssen. Kurz vor der Landung führt die Drohne automatisiert ein schnelles Ausgleichsmanöver aus. Dabei richtet sich die Drohne von ihrer geneigten Flughaltung auf. Ein Landefahrwerk, das mit Reibungsstoßdämpfern ausgerüstet ist, absorbiert die kinetische Energie. Dadurch wird auch verhindert, dass die Drohne umkippt.

Das Fahrwerk ist so konzipiert, dass die Aufprallenergie einer rund 2,4 kg schweren Drohne bei einer Aufprallgeschwindigkeit von 4 m/s absorbiert werden kann. Dazu verwenden die Forscher im Fahrwerk mehrere dünne Scheiben, die über ein Getriebe elektromotorisch zusammengerückt werden und durch die entstehende Reibung eine unterschiedliche Dämpfung generieren. Die Dämpfung kann somit auf die jeweilige Aufprallgeschwindigkeit abgestimmt werden. Zusätzlich wird ein Umkehrschub eingeleitet, um die Drohne bei der Landung gegen die Landefläche zu drücken.

Die Wissenschaftler fanden bei ihren Experimenten heraus, dass die Kombination aus Fahrwerk mit Reibungsstoßdämpfern und Umkehrschub im Vergleich zu einem herkömmlichen Fahrwerk ohne Stoßdämpfer den Flugbereich um den Faktor 38 erhöht. Die Drohne kann somit aus einer Vielzahl unterschiedlicher Flugpositionen heraus sicher landen.

Ausprobiert haben die Forscher die Landefähigkeiten der DART-Drohne mit einem fahrenden Pick-up als Landeplattform. Der Truck fuhr bei den Versuchen bis zu 68 mph (etwa 110 km/h) schnell eine gerade Straße herunter. Der Drohne gelang es, bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten 38-mal in Folge sicher auf dessen Dach zu landen.

Die Forscher liefern auch gleich den passenden Einsatzzweck der Technik: Drohnen könnten damit etwa dazu eingesetzt werden, um auf in Bewegung befindlichen Schnellbooten oder fahrenden Einsatzfahrzeugen zu landen. Insgesamt verbessere die Kombination aus dem elektromotorisch einstellbaren Landefahrwerk und dem Einsatz von Umkehrschub das Landeverhalten der Drohne überall dort, wo schwierige Landebedingungen herrschen.

(olb)