Multikopter: Neue Selbstheilungskräfte

12.08.2015 - Meike Klinck

gruppe Daniel Vey ist erleichtert. Denn seine Untersuchungen am Multikopter zeigen Erfolg. Endlich. Der Doktorand vom Lehrstuhl für Automatisierungstechnik und Prozessinformatik der RUB tüftelt seit vielen Monaten an mehrrotorigen Flugobjekten, um seine neue Methode der fehlertoleranten Regelung an einem spektakulären Beispiel demonstrieren zu können. Kürzlich folgte der Durchbruch. weiterlesen

Auf einer Grundfläche von vier mal vier Metern liegen dicke Schaumstoffmatten. Ein riesiges Netz umschließt die Versuchsfläche bis unter die Decke des IDN-Gebäudes. Von dort beobachten kleine Kameras das Geschehen, am Boden ist ein so genannter „Hexakopter“ startklar. Sechs Rotoren sitzen am Außenrand seiner gleichmäßig abgespreizten Ausleger. Er hat einen Durchmesser von 55 Zentimetern und eine Höhe von zehn Zentimetern. Das Grundgerüst ist gekauft, seine Intelligenz komplett neuentwickelt.

Sonor summend und schwebend

Auf Befehl des Mitarbeiters am PC startet das kleine Luftfahrzeug senkrecht nach oben, ähnlich wie ein Hubschrauber. Seinen Flug begleitet sonores Summen, doch nach wenigen Sekunden fällt einer der Rotoren plötzlich aus. Das Fluggerät taumelt und driftet ein wenig zur Seite. Das Summen stottert etwas, doch der Hexakopter fängt sich und schwebt weiter als wäre nichts geschehen. Daniel Vey und dem Team am Lehrstuhl von Prof. Jan Lunze ist es in den letzten Monaten mit ihrer Arbeit gelungen, solche Teilausfälle nicht mit einem Absturz enden zu lassen.


Detailliertere Darstellung des Ablaufs der fehlertoleranten Regelung:

Selbstheilung in Millisekunden

„Für den gesamten Prozess stehen uns etwa 200 Millisekunden zur Verfügung“, berichtet er. Diese Zeitspanne ist nicht mehr als einen Wimpernschlag lang. Mit der neu entwickelten Methode erkennt das System in diesem kurzen Augenblick die Fehlfunktion anhand der Messdaten und kompensiert sie umgehend. Dazu wird die Steuerung des Fluggerätes so verändert, dass die anderen Rotoren die Funktion des ausgefallen Rotors mit übernehmen, um die Balance sofort wieder herzustellen. „Zum Verständnis der Flugdynamik haben wir zunächst mit Quadrokoptern experimentiert. Für die Erprobung fehlertoleranter Regelungen sind wir auf Hexakopter umgestiegen“, so Daniel Vey.

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Immer wieder Ausprobieren

„Angefangen haben wir vor zwei Jahren wirklich bei Null.“ Ob Platine, Software oder Aufbau des Hexakopters, alles sei von Grund auf neu gedacht und gebaut worden. Das war ein langer Weg des Nachdenkens und Ausprobierens mit vielen möglichen Fehlerquellen. Doch die ganze Mühe hat sich gelohnt, und der Erfolg kann sich aufgrund der konstant schwebenden Versuchsobjekte eindrucksvoll bestaunen lassen. Die neuen Theorien, die Logik und sämtliche Algorithmen lassen sich auch auf andere Anwendungen übertragen, sogar Eins zu Eins, weil dahinter eine allgemeingültige Methodik steckt.

Weltweit gefragte Technik

Seine Erkenntnisse sind für viele Forscher in aller Welt von großem Interesse, demnächst wird Daniel Vey seine Arbeit auf einer großen Fachkonferenz in Japan vorstellen. Für unseren Alltag ist dieses Wissen viel wert. Denn Multikopter sind seit einiger Zeit sehr populär, eine noch größere Aufgabe sprechen Experten ihnen in Zukunft zu. Aktuell kommen sie etwa als Träger kleiner Kameras für Luftbildaufnahmen zum Einsatz, schon bald könnten sie aber auch als autarkes Transportmittel Waren anliefern. Dies gelingt allerdings nur, wenn die Technik wirklich verlässlich funktioniert.

Fotos (von oben): Das Team mit Börge Julian Kroniger, Dominik Schwolgin, Daniel Vey, Prof. Jan Lunze, Roland Czaja, Markus Gebing und Kai Schenk. Nicht auf dem Bild, aber ebenfalls beteiligt, ist Svenja Mozian. Daniel Vey mit einem Hexakopter. Fliegender Quadrokopter mit befüllter Wasserflasche als Transportgut. Der Doktorand auf der Versuchsfläche beim „Beladen“ des Quadrokopters. Der Quadrokopter stemmt mühelos zwei Kilogramm Gewicht im Flug. Fünf Rotoren des Hexakopters sind im Einsatz, der sechste Rotor (ganz links) steht still. Trotzdem kann das Luftfahrzeug die Balance im Flug halten. Im Detail: Hexakopter mit F550-Rahmen der Firma DJI mit Centerplates und Kunststoff-Auslegern, Platine der Zentraleinheit (untergebracht zwischen den Center-Plates) mit Mikrocontroller-Board (Arduino Nano), Kommunikationsschnittstelle zur Funkübertragung (XBee-Protokoll) und Intertial-Messeinheit zur Erfassung der Lage, bürstenlose Gleichstrommotoren mit 8“ Rotorblättern, Motorregler (unterhalb der Ausleger), IR-reflektierende Marker-Bälle zur Positions- und Lageerfassung durch die Kameras:

Weitere Informationen
Daniel Vey
Lehrstuhl für Automatisierungstechnik und Prozessinformatik
Tel.: 0234/32-24096, vey@atp.rub.de

Tags: automatisierungstechnik, Daniel Vey, Jan Lunze, Multikopter