Fortschritte bei weichen Drohnen- Greiftechniken

Drohnen, oder unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), sind echt angesagt für viele Aufgaben, wie zum Beispiel Pakete ausliefern und Ernte einholen. Ein spannendes Gebiet ist das luftgestützte Greifen, besonders mit weichen Drohnen, die sanft Objekte aufheben und transportieren können. Aber die Kontrolle über diese Drohnen während sie etwas greifen, ist nicht einfach.

Wenn eine Drohne etwas aufnimmt, wird sie schwerer. Dieses zusätzliche Gewicht macht es schwieriger vorherzusagen, wie sich die Drohne bewegen wird. Ausserdem muss die Drohne mit unerwarteten Faktoren wie Wind oder Veränderungen in der Umgebung während des Flugs umgehen. Deshalb arbeiten Forscher an besseren Möglichkeiten, diese Drohnen während Aufgaben wie dem Aufheben von Dingen zu steuern.

In dieser Studie ist das Ziel, wie ein weiches Luftfahrzeug (SAV) sich selbst besser steuern kann, während es Gegenstände greift. Dazu haben die Forscher ein spezielles Werkzeug namens Störungbeobachter in das Steuerungssystem der Drohne eingebaut. Dieses Werkzeug hilft der Drohne herauszufinden, wie sie auf Änderungen und Unsicherheiten reagieren kann, die durch das Gewicht der aufgenommenen Objekte und durch äussere Faktoren wie Wind verursacht werden.

Das neue System, das sie entwickelt haben, heisst störungbeobachterbasiertes nichtlineares modellprädiktives Steuern (DOMPC) und zeigt grosses Potenzial. Es ermöglicht der weichen Drohne, sowohl leichte als auch schwere Objekte erfolgreich zu transportieren. In Tests konnte die weiche Drohne ein bemerkenswertes Gewicht im Vergleich zu ihrem eigenen Gewicht tragen, was ihre Effektivität bei Greifaufgaben beweist.

#Einführung in das Luftgestützte Greifen

Luftgestütztes Greifen bedeutet, dass Drohnen Objekte während des Flugs aufheben. Weiches luftgestütztes Greifen fokussiert sich auf flexible Greifer, die sich an die Form der aufgenommenen Gegenstände anpassen können. Das ist besonders nützlich für Zustelldienste oder Aufgaben wie das Sammeln von Früchten. Aber die Kontrolle über eine Drohne mit weichen Greifern bringt Herausforderungen mit sich.

Wenn eine Drohne einen Gegenstand greift, muss sie das zusätzliche Gewicht managen, während sie weiterhin sanft fliegt. Umweltfaktoren machen das Ganze noch herausfordernder. Instabile Bedingungen können beeinflussen, wie gut die Drohne ihre Bewegung kontrollieren kann.

Um diese Herausforderungen anzugehen, haben Forscher Systeme entwickelt, die Drohnen helfen können, effektiver zu arbeiten, wenn sie Gegenstände greifen. Eine beliebte Strategie ist das modellprädiktive Steuern (MPC), das es der Drohne ermöglicht, stabil und reaktionsschnell zu bleiben. Ein Störungbeobachter kann diese Kontrolle verbessern, indem er der Drohne hilft, sich an unerwartete Veränderungen anzupassen.

#Das Design des Weichen Luftfahrzeugs

Das weiche Luftfahrzeug, das in der Forschung verwendet wurde, hat ein einzigartiges Design, das es ihm ermöglicht, Objekte während des Flugs zu greifen. Der Hauptkörper der Drohne ist leicht und aus starken Materialien gefertigt, was dazu beiträgt, schwerere Lasten zu tragen.

Die Drohne ist auch mit einem weichen Greifer ausgestattet, der aus Fingern besteht, die sich aufblasen und entleeren können, um Objekte zu halten. Diese Technologie ermöglicht es der Drohne, verschiedene Formen und Grössen sicher zu greifen. Das Design erlaubt es der Drohne, zwischen verschiedenen Greifstilen zu wechseln, je nachdem, was sie aufheben möchte.

#Wie das Steuerungssystem Funktioniert

Um die weiche Drohne beim Greifen effektiver zu machen, haben die Forscher ein ausgeklügeltes Steuerungssystem entwickelt. Dieses System passt an, wie die Drohne auf verschiedene Situationen während des Flugs reagiert.

Zuerst nutzt die Drohne ein Gerät namens Inertial-Messeinheit (IMU), um ihre Position und Bewegung zu spüren. Diese Informationen helfen der Drohne, ihre Dynamik zu verstehen, also wie sie sich in der Luft bewegt.

Der Störungbeobachter arbeitet, indem er diese Daten analysiert und Störungen schätzt, die die Bewegung der Drohne beeinflussen, wie unerwartete Gewichtverschiebungen oder Wind. Dieses Echtzeit-Feedback ermöglicht es der Drohne, ihre Steuerungseingaben schnell anzupassen und stabil zu bleiben, während sie Gegenstände greift.

#Testen der Weichen Drohne

Um die Fähigkeiten der weichen Drohne zu testen, wurden mehrere Experimente durchgeführt. In einem Test musste die Drohne einem kreisförmigen Flugweg folgen, während sie zusätzliches Gewicht trug. Die Leistung der Drohne wurde mit drei verschiedenen Steuerungsstrategien verglichen: DOMPC, traditionelles nichtlineares modellprädiktives Steuern (NMPC) und einen einfachen PID-Regler.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Drohne mit DOMPC viel bessere Nachverfolgungsleistung hatte. Das bedeutet, dass die Drohne den beabsichtigten Weg präziser folgen konnte, selbst beim Tragen der zusätzlichen Last. Die anderen Steuerungsmethoden hatten es schwer, besonders bei der Höhenkontrolle.

In weiteren Tests, um das maximale Gewicht zu überprüfen, das die weiche Drohne transportieren konnte, war sie in der Lage, ein Gewicht zu heben, das mehr als der Hälfte ihres eigenen Gewichts entsprach. Das war ein beeindruckendes Ergebnis, das die Fähigkeit der Drohne hervorhob, Stabilität unter schweren Lasten zu bewahren.

#Greifen Verschiedener Objekte

Die weiche Drohne wurde auch einer Reihe von Tests unterzogen, um ihre Fähigkeit zu beurteilen, verschiedene Gegenstände aufzuheben. Die Forscher bereiteten Objekte unterschiedlicher Formen und Gewichte vor, die die Drohne greifen sollte. Dazu gehörten sowohl leichte als auch schwere Gegenstände, um zu überprüfen, wie gut die Drohne ihren Griff anpassen konnte.

Die Drohne hob erfolgreich Gegenstände wie Flaschen und sphärische Behälter auf. Jedes Mal konnte der weiche Greifer sicher am Zielobjekt haften, was seine Effektivität bei einer Vielzahl von Aufgaben unter Beweis stellte. Besonders bemerkenswert ist, dass die Drohne auch dann, wenn sich die Gegenstände während des Greifens verschoben, in der Lage war, sich anzupassen und ihren Halt zu bewahren.

#Ergebnisse und Beobachtungen

Die Experimente zeigten einige interessante Erkenntnisse. Die Drohne erreichte eine hohe Erfolgsquote beim Greifen der verschiedenen Zielobjekte. Sie konnte präzise über den Objekten schweben, bevor sie sie aufnahm und an einen bestimmten Ort navigierte.

Zum Beispiel, als sie schwerere Gegenstände griff, erlebte die Drohne grössere Störungen, besonders in ihrer vertikalen Bewegung. Dank des Störungbeobachters konnte sie diese Veränderungen jedoch schnell erkennen und ausgleichen, was sicherstellte, dass sie die Kontrolle behielt.

Die Erfolgsquote bei Greifaufgaben variierte je nach Form des Gegenstands. Zum Beispiel war das Greifen eines sphärischen Behälters im Allgemeinen erfolgreich, während die rechteckige Flasche mehr Herausforderungen bot. Das lag daran, dass die Form erforderte, dass der Greifer der Drohne mehr Kraft aufwenden musste, um sie sicher zu halten.

#Fazit

Die Arbeit mit dem weichen Luftfahrzeug und seinem fortschrittlichen Steuerungssystem zeigt das Potenzial von Drohnen für luftgestützte Greifaufgaben. Durch die Integration eines Störungbeobachters haben die Forscher es der Drohne ermöglicht, mit Gewichtsschwankungen umzugehen und auf unvorhersehbare Faktoren während des Greifens zu reagieren.

Die Fähigkeit, autonom sowohl leichte als auch schwere Objekte zu greifen, eröffnet neue Möglichkeiten für den Einsatz von Drohnen in Bereichen wie Zustelldiensten und Umweltschutz. Das leichte Design und die fortschrittlichen Steuerungsstrategien schaffen eine weiche Drohne, die verschiedene Aufgaben erfolgreich ausführen kann, und ebnen den Weg für zukünftige Innovationen in der Drohnentechnologie.

Insgesamt zeigt die Studie, dass weiche Luftfahrzeuge mit intelligenten Steuerungssystemen effektiv Objekte während des Flugs greifen können, was zu spannenden Perspektiven für ihren Einsatz in der realen Welt führt.