Eine neue Ära in der Luftrobotik

Drohnen werden immer beliebter für verschiedene Anwendungen, wie Kartierung und Lieferung. Allerdings ist eine ihrer grössten Herausforderungen, wie lange sie fliegen können. Wir stellen eine neue Art von fliegendem Roboter vor, die die besten Eigenschaften von Drohnen und Luftschiffen kombiniert, um bessere Flugzeiten und Manövrierfähigkeit zu bieten.

#Der Bedarf an Luftplattformen

Drohnen werden viel genutzt, weil sie flexibel sind und schwer zugängliche Orte erreichen können. Sie sind wertvolle Werkzeuge in Bereichen wie Katastrophenhilfe, Filmproduktion und Paketzustellung. Allerdings haben viele Drohnen eine begrenzte Flugzeit, was ein erheblicher Nachteil sein kann.

Traditionelle Multirotor-Drohnen sind nützlich, weil sie wendig sind und sich in verschiedene Richtungen bewegen können. Unglücklicherweise fliegen sie normalerweise nur für kurze Zeit, meist nur ein paar Minuten. Diese Einschränkung liegt hauptsächlich an ihren schweren Batterien und der Notwendigkeit leistungsstarker Motoren, die das Gewicht erhöhen und die Flugzeit verringern.

Es gibt auch andere Arten von fliegenden Maschinen, wie z. B. an Seilen befestigte Drohnen und Starrflügler, aber die haben ebenfalls ihre Einschränkungen. An Seilen befestigte Drohnen können sich nicht frei bewegen, während Starrflügler schwieriger in kleinen Räumen zu steuern sind.

#Einführung eines neuen fliegenden Roboters

Um diese Probleme anzugehen, haben wir einen neuen Luftroboter entwickelt, der als Balloon Enabled Aerial Vehicle for IoT and Sensing bezeichnet wird. Diese Plattform kombiniert die Wendigkeit von Drohnen mit den langen Flugzeiten von Luftschiffen. Das Design beinhaltet einen mit Helium gefüllten Ballon, der das gesamte System anhebt und die benötigte Energie zum Fliegen reduziert.

#So funktioniert unser Design

Die Plattform hat einen Heliumballon, der an einer Quadrokonstruktion befestigt ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Drohnen sind die Motoren horizontal angeordnet, was bedeutet, dass sie Schub erzeugen können, um sich in jede horizontale Richtung zu bewegen, während der Ballon Auftrieb liefert. Wenn zwei Motoren diagonal eingeschaltet werden, kann der Roboter sich absenken. Dadurch sind Bewegungen in allen drei Dimensionen möglich, ähnlich wie bei einer Standard-Quadrokopter-Drohne.

Ein grosser Vorteil unseres Designs ist, dass es ohne viel Energie in der Luft schweben kann. Im Gegensatz dazu müssen die meisten Drohnen ständig ihre Motoren nutzen, nur um in der Luft zu bleiben. Dadurch kann unsere Plattform viel länger fliegen als herkömmliche Drohnen.

#Hauptmerkmale

1. Wendigkeit: Die Plattform kann schnell in alle Richtungen bewegen, was sie für verschiedene Anwendungen nützlich macht.

2. Lange Flugzeit: Dank des Ballons kann sie lange Zeit in der Luft bleiben, was die Einsatzdauer erheblich erhöht.

3. Fehlerresistenz: Das Design hat Funktionen, die es ermöglichen, auch bei Ausfall eines oder mehrerer Motoren weiterzufliegen.

4. Einfachheit: Die Plattform ist leicht zu bauen und kann mit gängigen Komponenten nachgebaut werden.

#Systemkomponenten

Das neue Luftfahrzeug umfasst drei Hauptteile: Sensoren, eine Verarbeitungseinheit und Motoren.

• Sensoren: Um seine Position und Höhe zu kennen, nutzt die Plattform eine Inertial Measurement Unit (IMU) und einen Time of Flight (ToF) Sensor. Diese helfen dem Fahrzeug, seine Bewegungen zu verstehen und entsprechend anzupassen.

• Verarbeitungseinheit: Der Hauptcomputer im System steuert die Motoren und verarbeitet die Daten von den Sensoren, um einen reibungslosen Flug zu gewährleisten.

• Motoren: Die Plattform läuft mit vier DC-Motoren, die als Propeller agieren. Diese Motoren ermöglichen es dem Fahrzeug, sich in verschiedene Richtungen zu bewegen.

#Flugdynamik

Das Flugverhalten unserer Plattform ist einzigartig. Der Ballon ermöglicht es, leicht Auftrieb zu gewinnen, während die Motoren den notwendigen Schub für die Bewegung liefern. Diese Kombination bedeutet, dass das Fahrzeug schnell auf Befehle und Veränderungen in der Umgebung reagieren kann.

Das Flugkontrollsystem ist mit zwei Hauptzielen entwickelt worden: die gewünschte Höhe zu halten und die Plattform zu steuern. Ein spezifischer Algorithmus verwaltet diese Aufgaben, indem er die gesammelten Daten von den Sensoren verarbeitet und die Motorengeschwindigkeiten entsprechend anpasst.

#Leistungstests

In unseren Experimenten haben wir mehrere Flugtests durchgeführt, um die Leistung der Plattform zu messen. Diese Tests umfassten das Verfolgen einer sich bewegenden Person und das Erfassen von Wärmebildern von Dächern.

1. Verfolgung von Personen: Wir haben die Fähigkeit der Plattform getestet, einer Person zu folgen. Mit einer Kamera konnte die Plattform eine stabile Position halten und ihre Bewegung anpassen, basierend darauf, wo sich die Person befand.

2. Wärmebildgebung: Die Plattform zeigte auch ihre Fähigkeit, Wärmebilder von Dächern zu erfassen. Sie passte ihre Höhe an, um einen konstanten Abstand zum Boden zu halten, was für genaue Messungen der Wärme, die aus Gebäuden entweicht, entscheidend ist.

#Ergebnisse

Die Ergebnisse unserer Tests zeigten Folgendes:

• Die Plattform kann Geschwindigkeiten von 2,45 m/s in einer horizontalen Ebene und eine Rotationsgeschwindigkeit von 346 Grad pro Sekunde erreichen.

• Sie erreicht eine beeindruckende Steigerung der Flugzeit von bis zu 1136,3 % im Vergleich zu traditionellen Drohnen.

• Unser Fehlersystem kann Rotorenausfälle in den meisten Fällen innerhalb von 5,5 Sekunden identifizieren.

#Herausforderungen und Einschränkungen

Obwohl unser Design viele Vorteile hat, bringt es auch einige Herausforderungen mit sich. Die Grösse des Ballons kann die Bereiche einschränken, in denen die Plattform betrieben werden kann, und ihre Höchstgeschwindigkeit ist aufgrund des Luftwiderstands begrenzt.

Ein weiterer Punkt ist das Material des Ballons. Im Laufe der Zeit kann Helium entweichen, was die Flugdauer einschränkt. Obwohl wir gängige Materialien verwendet haben, um die Plattform leicht nachbaubar zu machen, könnten zukünftige Verbesserungen auf bessere Ballon Designs abzielen, um Langlebigkeit und Leistung zu steigern.

#Zukünftige Anwendungen

Unser Luftfahrzeug hat vielversprechende Anwendungen in verschiedenen Bereichen:

• Wetterüberwachung: Die Plattform kann Sensoren für Luftfeuchtigkeit und Temperatur tragen, was sie geeignet für Wettervorhersagen macht.

• Wildtierverfolgung: Sie kann Tiere von oben überwachen, ohne sie zu stören, dank ihres leisen Betriebs.

• Katastrophenhilfe: In Notfällen könnten mehrere Plattformen zusammenarbeiten, um Konnektivität und Unterstützung für Rettungsmissionen bereitzustellen.

#Fazit

Wir haben eine neue Luftplattform entwickelt, die die Vorteile von Drohnen und Luftschiffen kombiniert, um bessere Manövrierfähigkeit und verlängerte Flugzeiten zu bieten. Mit der Fähigkeit, sich an verschiedene Anwendungen anzupassen, einschliesslich der Verfolgung von Personen und der Überwachung von Umgebungen, zeigt diese Plattform erhebliches Potenzial im Bereich Sensorik und IoT.

Durch rigoroses Testen und innovatives Design glauben wir, dass dieses Luftfahrzeug ein wertvolles Werkzeug in zahlreichen Branchen werden kann, während es auch einige gängige Probleme anspricht, mit denen traditionelle Drohnen konfrontiert sind. Zukünftig wird es entscheidend sein, das Design zu verfeinern und eventuelle Einschränkungen anzugehen, um die Nutzbarkeit und Effektivität in realen Szenarien zu maximieren.