Neue flexible Drohne steckt Kollisionen weg

Die Drohne Flexiquad hat vier Antriebe und einen verformbaren Körper. (Source: Luca Girardi / ETH Zürich)

Die Drohne Flexiquad hat vier Antriebe und einen verformbaren Körper. (Source: Luca Girardi / ETH Zürich)

Seit mehr als hundert Jahren werden Quadrokopter nach demselben Grundprinzip gebaut. Von einem starren Körper in der Mitte gehen vier Arme mit je einem Propeller ab. Diese Bauweise ist ideal für einen präzisen und agilen Flug, hat jedoch eine grosse Schwäche: Die Drohnen reagieren sehr empfindlich auf unerwartete Kontakte mit ihrer Umgebung. Wenn sie gegen eine Wand oder ein anderes Hindernis stossen, können sie ihre Stabilität verlieren oder gar auseinanderbrechen.

Dieses Problem möchten Forschende der ETH Zürich mit einer neuen Bauweise lösen. Ihre Drohne Flexiquad besteht aus einem weichen, ringförmigen Rahmen ohne zentralen Körper. Die Rotoren, Batterien und das Steuerungsmodul sind gleichmässig am Rahmen verteilt. Durch diese neuartige Architektur kann sich der Flugroboter bei einer Kollision verformen und so einen Teil der Kollisionsenergie aufnehmen. 

Entwickelt haben Flexiquad Luca Girardi und der damalige ETH-Professor Stefano Mintchev am Environmental Robotics Lab. Girardi forscht heute am Mobile Robotics Lab der ETH Zürich, während Mintchev inzwischen eine Professur für Agricultural Robotics an der Universität Bonn übernommen hat. Für Flexiquad haben die beiden ein Patent angemeldet. Die Erfindung ist für den diesjährigen Spark Award nominiert.

Weich beim Aufprall, steif beim Fliegen

Der Rahmen ist nicht in alle Richtungen gleich weich. Girardi erklärt: "Wir haben uns von Vögeln und Insekten inspirieren lassen. Uns interessierte, welche Steifigkeit deren Flügel besitzen und wie sie diese in unterschiedliche Richtungen biegen, oder eben nicht." Nach diesem Prinzip konstruierten die Forschenden einen Rahmen, der dort nachgibt, wo Verformung erwünscht ist: seitlich. In vertikaler Richtung dagegen ist er steifer, damit die Rotoren die nötigen Kräfte für den Flug übertragen können. 

Trotz des weichen Rahmens ist Flexiquad schnell und wendig. "Unsere Drohne ist sehr agil und kann mit bis zu 80 km/h fliegen. Sie erreicht lineare und Winkelbeschleunigungen, die mit denen starrer Drohnen vergleichbar sind. Weich bedeutet nicht automatisch langsam", sagt Girardi. Bei Kollisionstests prallte Flexiquad mit Geschwindigkeiten von bis zu rund 25 Kilometern pro Stunde gegen Hindernisse. Der flexible Rahmen verformt sich dabei kurzzeitig und dämpft einen Teil des Aufpralls. So kann die Drohne nach dem Zusammenstoss weiterfliegen. Dass die Forschenden keine höheren Kollisionsgeschwindigkeiten testeten, lag laut Girardi vor allem am fehlenden Platz für einen längeren Beschleunigungsweg. Die Verformbarkeit lässt sich zudem nutzen, um Gegenstände zu greifen und zu transportieren.

Einsatz bei der Suche nach Vermissten und zur Abwehr unerwünschter Drohnen

Das Patent sieht Anwendungen in unübersichtlichen und schwer zugänglichen Umgebungen vor, etwa bei der Inspektion von Ballasttanks auf Schiffen, bei Such- und Rettungseinsätzen in eingestürzten Gebäuden oder bei Umweltmessungen in dichten Wäldern. Girardi sieht zudem weitere Einsatzmöglichkeiten: So könnte im offenen Zentrum von Flexiquad ein Netz angebracht werden, um unbefugt fliegende oder unerwünschte Drohnen einzufangen. 

Gerade bei Inspektionen könnte die Verformbarkeit einen Vorteil bieten: Eine grössere Drohne könnte mehr Sensoren tragen und länger in der Luft bleiben, müsste aber trotzdem durch enge Zugänge passen. Auch für den Transport kleiner Gegenstände könnte das Konzept interessant sein. In Versuchen hat Flexiquad bereits ein weiches Erste-Hilfe-Set gegriffen, transportiert und wieder abgesetzt. Zudem konnte die Drohne eine Last tragen, die schwerer war als sie selbst.

"Wenn eine Drohne bei einem Einsatz schnell grosse Distanzen zurücklegen soll, kann es passieren, dass ihre Sensoren ein Hindernis wie einen Baum zu spät erkennen, um noch auszuweichen", erklärt Girardi. Für eine starre Drohne kann eine solche Kollision das Ende des Einsatzes bedeuten. Weil Flexiquad Zusammenstösse besser verkraften kann, könnte die Drohne künftig auch dort schneller fliegen, wo es zu riskant wäre, sich allein auf das Erkennen und Umfliegen von Hindernissen zu verlassen. 

Flexiquad ist zudem modular aufgebaut und vergleichsweise günstig herzustellen. Die Materialien für den Rahmen kosten weniger als 15 Franken. Laut den Forschenden liessen sich die Kosten künftig noch weiter senken. Öffnet man den Ring, lassen sich die flachen Rahmenelemente kompakt verstauen. Girardi transportierte einen Prototyp auf diese Weise bereits im mittelgrossen Reisekoffer. Mit Schnellverschlüssen und einschiebbaren Batterien könnte sich die Drohne künftig innerhalb kurzer Zeit vor Ort zusammensetzen lassen, führt der Forscher aus.

Was flexible Drohnen noch lernen müssen

Bevor Flexiquad ausserhalb des Labors eingesetzt werden kann, muss die Drohne ihre Umgebung zuverlässig erfassen und autonom navigieren können. "Wir stellen weiterhin die jahrhundertealte Tradition in Frage, Drohnen mit starren Strukturen zu konstruieren - eine Tradition, die darauf zurückzuführen ist, dass eine starre Struktur eine präzise Steuerung erleichtert", sagt Girardi. 

Nach einer Kollision können Schwingungen im flexiblen Rahmen die Kamerabilder verwischen und damit die Navigation erschweren. In einer aktuellen Arbeit liessen sich Girardi und seine Kolleginnen und Kollegen deshalb von natürlichen Reflexen inspirieren: Mithilfe von bestärkendem Lernen (sogenanntem Reinforcement Learning) brachten sie Flexiquad bei, sich nach einem Zusammenstoss zunächst mit seinen Bewegungssensoren zu stabilisieren und anschliessend zum autonomen Flug zurückzukehren.

Gleichzeitig untersucht das Team, ob sich die Flexibilität selbst als Informationsquelle nutzen lässt. Inspiriert davon, wie Insekten Verformungen ihrer Flügel wahrnehmen, erforschen die Forschenden, ob Biegungen und Schwingungen des Rahmens künftig zusätzliche Informationen für die Flugsteuerung liefern können. 

Seit rund fünf Jahren entwickelt Girardi die Drohne weiter. Besonders in Erinnerung geblieben ist ihm der Moment, als Flexiquad erstmals ohne zentrale Verstärkung abhob: "Ich war zuerst skeptisch, ob die Drohne ohne zentrale Verstärkung überhaupt fliegen würde. Aber der Ansatz hat mir sehr gut gefallen. Dann haben wir es ausprobiert - und es hat geklappt."

Dieser Beitrag ist zuerst auf der Website der ETH erschienen.