Diese Drohne kann fliegen, schweben und rollen, um sich fortzubewegen

Dieser Artikel ist Teil unserer exklusiven IEEE Journal Watch-Reihe in Zusammenarbeit mit IEEE Xplore.

Anstelle eines autonomen Roboters zum Fliegen, eines anderen zum Fahren an Land und eines weiteren zum Navigieren auf dem Wasser kann eine neue Hybriddrohne alle drei Aufgaben erledigen. Um komplexe Missionen durchzuführen, experimentieren Wissenschaftler zunehmend mit Drohnen, die mehr können als nur fliegen.

Die Idee für eine Drohne, die in der Lage ist, zu Land, in der Luft und auf See zu navigieren, entstand, als Forscher am Arabian Center for Climate and Environmental Sciences (ACCESS) der New York University Abu Dhabi feststellten, dass sie sich eine Drohne wünschen würden, „die in der Lage ist, zu potenziell entlegenen Orten zu fliegen und Proben zu nehmen.“ Gewässer“, sagt Studienleiter Dimitrios Chaikalis, Doktorand an der NYU Abu Dhabi.

Umweltforschung stützt sich oft „auf Probensammlungen aus schwer zugänglichen Gebieten“, sagt Chaikalis. „Fliegende Fahrzeuge können leicht zu solchen Gebieten navigieren, während die Fähigkeit, auf dem Wasser zu landen und an der Oberfläche zu navigieren, eine stundenlange Probenahme mit minimalem Energieverbrauch ermöglicht, bevor sie zu ihrer Basis zurückfliegt.“

Das neue autonome Fahrzeug ist ein Tricopter mit drei Rotorpaaren für den Flug, drei Rädern für die Fortbewegung an Land und zwei Triebwerken, die ihm die Fortbewegung auf dem Wasser erleichtern. Die Gummiräder wurden im 3D-Druck direkt um den Körper des Hauptradrahmens herum gedruckt, sodass keine Metallschrauben und Kugellager erforderlich waren, bei denen die Gefahr von Rost besteht, wenn sie Wasser ausgesetzt werden. Die gesamte Maschine wiegt weniger als 10 Kilogramm, um den Drohnenvorschriften zu entsprechen.

Ein schwimmfähiger, maschinell geschnittener Styroporkörper wurde zwischen der Oberseite der Maschine, die die Rotoren hält, und der Unterseite, die die Räder und Triebwerke hält, platziert. Diese Schwimmvorrichtung diente im Wasser als Rumpf der Maschine und hatte die Form eines Kleeblatts, um Platz für den Luftstrom der Rotoren zu lassen.

„Das resultierende Fahrzeug ist in der Lage, jedes verfügbare Medium zu durchqueren – Luft, Wasser, Boden –, was bedeutet, dass man schließlich autonome Fahrzeuge einsetzen kann, die in der Lage sind, immer größere Schwierigkeiten und Hindernisse zu überwinden“, sagt Chaikalis.

Die Drohne verfügt über zwei Open-Source-PX4-Autopilotsysteme: eines für die Luft und das andere für die Navigation zu Land und zu Wasser. „Die Luftnavigation unterscheidet sich stark von der Boden- oder Wasseroberflächennavigation, die tatsächlich viele Ähnlichkeiten miteinander aufweisen“, sagt Chaikalis. „Deshalb haben wir die Boden- und Wasseroberflächennavigation so konzipiert, dass beide mit demselben Autopiloten funktionieren und jeweils nur die Motorleistung geändert haben.“

Als Kommandomodul diente ein Intel NUC-Rechner. Der Computer kann je nach Bedarf zwischen den beiden Autopiloten wechseln und eine Schnittstelle zu einem Funkgerät und GPS herstellen. Die gesamte Elektronik war in einem wasserdichten Kunststoffgehäuse untergebracht.

„Natürlich muss man sich auch wasserdichte Motoren für die Räder des Bodenfahrzeugs besorgen, da diese auf dem Wasser vollständig untergetaucht sind“, sagt Chaikalis. „Es erwies sich, dass es schwierig war, solche Motoren mit kommerziellen Autopilot-Einheiten zu verbinden, weshalb wir schließlich auch kundenspezifische Hardware und Firmware für die Schnittstelle dieser Kommunikation entwickelten.“

Die Drohne kann funkgesteuert oder autonom in vorprogrammierten Missionen operieren. Seine Lithium-Polymer-Akkus ermöglichen eine Flugzeit von 18 Minuten.

In Experimenten nahm der Styroporrumpf beim Schwimmen Wasser auf und erhöhte sein Gewicht innerhalb von 30 Minuten um 20 Prozent. Das Styropor gab dieses Wasser während des Fluges ab, wenn auch langsam, mit einem Gewichtsverlust von 20 Prozent nach 100 Minuten. Die Wissenschaftler weisen darauf hin, dass diese erhebliche Gewichtsschwankung bei der Konstruktion des Autopiloten berücksichtigt werden muss, oder sie könnten eine wasserabweisende Beschichtung hinzufügen, obwohl dies das Gesamtgewicht dauerhaft erhöhen würde.

Darüber hinaus „ist dies zwar wasserdicht gegen Spritzer und leichtes Untertauchen, aber noch kein vollständig tauchfähiges Design, was bedeutet, dass ein Ausfall der Schwimmvorrichtung potenziell katastrophale Folgen haben könnte“, sagt Chaikalis.

Die Forscher weisen darauf hin, dass sie den Rumpf in Zukunft optimieren könnten, um ihn stabil genug zu machen, um komplexen Manövern standzuhalten und den Luftwiderstand während des Fluges zu minimieren. Sie möchten die Drohne auch vollständig modular gestalten, sodass sie ihre Fähigkeiten durch Anbringen oder Abnehmen von Modulen problemlos ändern können.

„Wir stellen uns vor, dass wir zum Beispiel dazu in der Lage sind, den Bodenmechanismus bei Bedarf nach hinten fallen zu lassen, um Energie zu sparen, und ihn später wieder zu nutzen, um zu landen“, sagt Chaikalis. „Oder lassen Sie das Wassermodul auf dem Wasser navigieren, während das [unbemannte Luftfahrzeug] zu einer nahegelegenen Basis zurückkehrt, um es aufzuladen und später wieder aufzunehmen.“

Für die neue Drohne ist eine Patentanmeldung anhängig. Die Wissenschaftler stellten ihre Ergebnisse am 9. Juni auf der Internationalen Konferenz über unbemannte Flugzeugsysteme 2023 in Warschau detailliert vor.