Roboter Flexible Drohne steckt Kollisionen weg

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ETH-Forschende haben mit FlexiQuad eine weiche Drohne entwickelt, deren Rahmen sich bei Kollisionen gezielt verformt. Für die Bauweise haben sie ein Patent angemeldet. Trotz des weichen Rahmens kann die Drohne schnell und wendig fliegen.

Quadrokopter werden seit mehr als hundert Jahren 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 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.Forschende der ETH Zürich haben nun eine neue Bauweise entwickelt. 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.

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.

Luca Girardi

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.

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.

Einsatz in unübersichtlichen und schwer zugänglichen Umgebungen

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. 
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.

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.

Luca Girardi

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 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 Wissenschaftler, 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.“