Drohne im Sturzflug

Die Durchblicker
// 11 November 2017
Elektrotechniker Daniel Vey an der Multikopteranlage "Mulan" (Bild: Aeneas Rooch)

Wenn ein Propeller ausfällt, stürzen Drohnen ab. Elektrotechniker erforschen, wie man das verhindern kann: Sie untersuchen, wie sich Drohnen auch dann noch steuern lassen, wenn ein Propeller versagt. Ich habe sie in ihrer Versuchshalle an der Ruhr-Universität Bochum besucht.

(Der Beitrag beginnt bei Minute 50:10. Alternativ: Mitschnitt der Sendung als MP3 hier herunterladen.)

Eine Flugdrohne ist ein beeindruckendes Beispiel für Regelungstechnik: Über eingebaute Sensoren oder durch GPS ermittelt die Drohne ihre Position und ihre Ausrichtung in der Luft, vergleicht sie mit der gewünschten Position – zum Beispiel der, die der Pilot mithilfe der Fernbedienung einstellt – und korrigiert, wenn nötig, anhand bestimmter mathematischer Regeln vollautomatisch ihre Flugbahn. Dieser so genannte Regelkreis – das fortlaufende Nachmessen, Vergleichen und Korrigieren – funktioniert allerdings nicht mehr, wenn einer der Sensoren oder einer der Propeller ausfällt. Elektrotechniker an der Ruhr-Universität Bochum erforschen, wie die verbleibenden Sensoren oder Propeller einen solchen Ausfall kompensieren können, das heißt, wie die Regelung so angepasst werden kann, dass die verbleibenden Sensoren und Propeller die Drohne trotzdem noch auf Kurs halten.

Dazu entwerfen sie mathematische Modelle, berechnen fehlertolerante Regelungen und analysieren in Computersimulationen, wie sich eine Drohne dann im Falle eines Ausfalls verhalten würde. Da Fliegen ein komplizierter Vorgang ist und sich nicht alle Einflüsse, die auftreten können, exakt berechnen und in Formeln erfassen lassen, müssen die Elektrotechniker ihre Regelungen jedoch auch immer wieder in Experimenten überprüfen.
Dazu haben sie einen Flugkäfig aufgebaut, einen mit Netzen abgehängten Bereich, in dem sie ihre Drohne fliegen lassen. Der Flugkäfig hat eine Fläche von etwa 5×5 Metern und ist ungefähr zwei Stockwerke hoch. Der Boden ist mit einer dicken Schaumstoffmatten ausgelegt, damit die Drohne bei einem möglichen Absturz nicht beschädigt wird. Daniel Vey und seine Kollegen simulieren hier den Ernstfall: Sie lassen die Drohne auf einer vorgegebenen Bahn fliegen und schalten dann einen oder mehrere Propeller aus.
Die Drohne sackt kurz ab, taumelt ein wenig in der Luft, aber sofort gereift die fehlertolerante Regelung: Die verbleibenden Motoren übernehmen die Aufgabe des ausgefallen Propellers und stellen sich auf die neue Situation ein. Sie drehen, je nachdem, wie es die Regelung vorgibt, schneller oder langsamer, und nach nicht einmal einer Sekunde schwebt die Drohne wieder stabil in der Luft, nun allerdings mit nur fünf Propellern statt sechs. Dass etwas nicht stimmt, ist von außen nur daran zu erkennen, dass einer der Propeller still steht und dass die anderen zum Teil deutlich lauter und höher surren als bisher, da sie nun eine höhere Leistung erbringen müssen, um den ausgefallenen Propeller ausgleichen.

Immer wieder wechseln Daniel Vey und seine Kollegen vom Lehrstuhl für Automatisierungstechnik und Prozessinformatik zwischen Versuchshalle und Schreibtisch, um Berechnungen und Algorithmen anzupassen, im Experiment zu überprüfen und zu verbessern. Den Ausfall eines Propellers können sie nun ausgleichen; als nächstes wollen sie erforschen, wie es die Drohne nach einem Ausfall noch schaffen kann, mit ihren dann eingeschränkten Möglichkeiten und der geringeren Energie, die für Flugmanöver zur Verfügung steht, wieder ihre ursprüngliche Position und Flugbahn aufzunehmen.

August 2017
Serie „Die Durchblicker – Wissensreportagen von der Ostsee bis zum Bodensee“
Bayern 2, NDR Info, SWR 2, WDR 5