Studie: Wie Drohnen auf schrägen Flächen sicher landen können
Mit einem angepassten Landefahrwerk und Schubumkehr klappen bruchfreie Drohnenlandungen auch auf schrägen Flächen.
(Bild: Createk Engineering Lab (Screenshot))
Ein Team kanadischer Wissenschaftler hat sich mit der Frage beschäftigt, wie Drohnen bei schwierigen Landebedingungen sicher zur Erde gebracht werden können, ohne eine Bruchlandung hinzulegen. Dazu nutzen die Wissenschaftler eine Kombination aus Reibungsstoßdämpfern und Schubumkehr. Damit können Drohnen auch auf Flächen mit einer Neigung von bis zu 60 Grad und einer Sinkgeschwindigkeit von maximal 2,75 m/s bruchfrei landen.
Drohnen benötigen eine möglichst ebene Fläche und eine geringe Sinkgeschwindigkeit, um mit ihren meist starren Landefahrwerken sicher aufzusetzen, nicht abzuprallen, zur Seite zu kippen oder sogar zu zerbrechen. Das von den drei kanadischen Forschern entwickelte System, das sie in dem Paper "Adaptative Friction Shock Absorbers and Reverse Thrust for Fast Multirotor Landing on Inclined Surfaces" in IEEE Robotics and Automation Letters publiziert haben, beschreiben sie die Funktion. In ihrer Studie haben sie sich zunächst darauf konzentriert, wie ein Quadcopter an einem steilen Hang sicher landen kann, beschreibt John Bass, Doktorand am Createk Design Lab der Université de Sherbrooke in Québec das Ziel ihrer Forschungsarbeit.
Steuerbare Stoßdämpfer und Schubumkehr
Dazu untersuchten die Forscher zunächst in Simulationen die Wechselwirkung von Reibungsstoßdämpfern und Umkehrschub. Auf Grundlage der ermittelten Daten erstellten sie ein Landefahrwerk für eine Drohne mit Reibungsstoßdämpfern. Dabei griffen die Wissenschaftler auf kleine Gleichstrommotoren, Federn und Teilen aus dem 3D-Drucker zurück. Das Fahrwerk besteht aus vier einzeln gefederten Beinen. Die Elektromotoren steuern dabei situationsbedingt für jedes Bein die notwendige Kompression, um ein Abprallen der Drohne von der Landefläche einzuschränken. Um das Abrutschen auf schrägen Flächen zu verhindern, wird beim Aufsetzen eine Schubumkehr der Rotoren angestoßen. Die Drohne wird so gegen die Landefläche gedrückt und kann so schlechter abrutschen oder umkippen.
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"Die Reibungsstoßdämpfer, die wir in das Fahrwerk integriert haben, verlangsamen die Dynamik des UAV ausreichend, um den Umkehrschub erfolgreich zu nutzen", sagt Bass.
Mit diesem System kann der Quadcopter auf Flächen mit einer Neigung von bis zu 60 Grad und einer Sinkgeschwindigkeit von maximal 2,75 m/s landen. Entsprechend könnten mit solchen Fahrwerken ausgestattete Drohnen etwa auch Notlandungen auf schrägen Häuserdächern durchführen. Zwar sind die Wissenschaftler mit der Performance ihres Landefahrwerks zufrieden, nicht aber mit dem hohen Gewicht. Denn die Forscher sehen auch einen Einsatz in großen Quadcoptern. Allerdings lässt sich das System nicht beliebig skalieren, ohne dabei Gewichtsnachteile in Kauf nehmen zu müssen.
Die Fähigkeiten von Multikoptern wollen die Wissenschaftler weiter verbessern. Dazu gehören etwa Landungen auf Booten bei rauer See, auf Eisbergen und sich schnell bewegenden Fahrzeugen. "Jedes dieser Szenarien bringt neue Herausforderungen mit sich, wie beispielsweise die linearen und winkligen Bewegungen eines Schiffes bei der Landung auf Booten, der starke Luftwiderstand bei der Landung bei starkem Wind oder hoher Geschwindigkeit, die turbulenten Luftbewegungen in der Nähe von Booten, Eisbergen und sich schnell bewegenden Fahrzeugen sowie die rutschigen Oberflächen von Eisbergen", sagt Alexis Lussier Desbiens, Professor für Maschinenbau und Robotik am Createk Design Lab und gibt einen Ausblick auf die zukünftige Forschungsarbeit der Wissenschaftler.
(olb)
