Motivation
Der Zusammenschluss mehrerer unbemannter Fluggeräte bzw. Agenten zu einem Schwarm bietet Vorteile bei der Erfüllung bestimmter Aufgaben. Neben einer möglichen Redundanz ermöglicht ein kooperatives Zusammenwirken der UAVs ganz neue Ansätze zur Lösungsfindung.
Im Gegensatz zu den in der Forschung häufig genutzten Multicoptern bieten Drohnenschwärme mit Tragflächen Vorteile bei der möglichen Reichweite, Flugzeit und Energieeffizienz. Damit gehen allerdings sowohl komplexere Anforderungen für die Durchführung von Flügen (z.B. Notwendigkeit einer Start- und Landebahn), der Agentenkommunikation und Schwarmsteuerung als auch spezifische Schwierigkeiten bei der Entwicklung kooperativer Algorithmen einher. Sich diesen Herausforderungen zu stellen und einen Beitrag für die spätere Übertragung von Forschungsergebnissen auf reale Anwendungen zu schaffen, wird mit dem Aufbau von RUDEL (Rudel Unbemannter, Dynamisch kooperierender und Elektrisch angetriebener Luftfahrzeuge) verfolgt.
Forschungsaktivitäten
Der Aufbau von RUDEL begann Anfang 2021 und baute auf den Erkenntnissen mit einem früheren Schwarm von Flächendrohnen auf. Als Fluggerät wurde der kommerziell verfügbare Nurflügler E-Flite Opterra™ von Horizon Hobby mit einer Spannweite von 2m und elektrischem Antrieb ausgewählt. Für die Anforderungen von RUDEL wurde die Opterras mit weiterer Elektronik und Sensorik ausgestattet. Unter anderem sind verbaut:
- Bordrechner mit integrierter Sensorik (3xIMU, Barometer): Pixhawk Cube Orange
- GPS: Here 3 GNSS M8P RTK
- Companion Computer: Raspberry Pi 4 Model B 4GB RAM
Die für einen Schwarm elementar notwendige Kommunikation zwischen den Agenten wird durch Ad-hoc Meshnetzwerk realisiert, das unabhängig von der vorhandenen Infrastruktur ist und keinen zentralen Knotenpunkt benötigt. Die dazu notwendigen Hardwarekomponenten (Antennen) wurden ebenfalls in den Opterra integriert.
Insgesamt ist die Zielsetzung das RUDEL flexibel und ohne möglichst infrastrukturunabhängig betreiben zu können. Dahingehend erfolgt auch die Entwicklung einer einfachen mobilen Bodenstation auf Laptopbasis zur Missionsplanung und Steuerung des Schwarms. Der Start erfolgt mit Gummizugseil. Neben der Einhaltung der rechtlichen Rahmenbedingungen verbleibt somit als Vorrausetzung für den Einsatz des RUDELs die Verfügbarkeit eines Fluggebiets mit einer geeigneten Landebahn.
Zeitstrahl:
- Der Erstflug (manuell) eines einzelnen Opterras fand am 26. März 2021 statt. Zur Steigerung der erreichbaren Flugzeit erfolgten im Anschluss Anpassungen am Antriebsstrang. Unter anderem durch den Einbau eines größeren Akkus konnte die mögliche Flugdauer auf ca. 45 min erhöht werden.
- Im Juni 2021 erfolgte der erste Flug mit automatischen Wegpunktfolge eines einzelnen Fluggeräts, womit die Funktionsfähigkeit des Autopiloten erfolgreich demonstriert wurde.“
- Die Fähigkeit zum automatischen Start (Gummizugseil) und Landung ohne Pilotenunterstützung wurde im Juli 2021 erreicht.
- Der erste Formationsflug fand ebenfalls im Juli 2021 auf dem Gelände des Ihinger Hofs statt. Das RUDEL bestand aus insgesamt 3 Fluggeräten (Opterras). Dabei agierte ein Fluggerät als Leader und flog eine durch Wegpunkte bestimmte Bahn ab. Die beiden Follower folgten dem Leader selbstständig und hielten eine V-Formation ein.
- Im Dezember 2021 fand der erste BVLOS Flug eines Opterras statt. Mehrere mehrteilige Missionen wurden auf dem Testfeld eFliegen BW in Mengen geflogen.
Das nächste Ziel ist die Demonstration der Fähigkeit eines BVLOS-Flugs im Schwarm.
Ziele
Langfristig wird mit RUDEL der Aufbau eines vielseitigen Schwarms von Flächendrohnen zu Forschungszwecken angestrebt. Durch konsequente Weiterentwicklung der Hardware, Autonomiefähigkeit und Schwarmsteuerung soll die Bandbreite der kooperativen Algorithmen, die unter Praxisbedingungen im Flug getestet werden können, kontinuierlich erweitert werden.
Zur Demonstration der Leistungsfähigkeit des Konzepts ist mittelfristig ein BVLOS-Schwarmflug mit RUDEL auf dem Testfeld für autonomes Fliegen in Mengen geplant.
Publikationen
[1] N. Pauli, E. Wallner, and W. Fichter, "Formationsflug mit Flächendrohnen" in Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2021, 2021.
RUDEL: Formationsflug von 3x Opterras (Gelände des Ihinger Hofs im Juli 2021)
