Info AirPenguin Eine Gruppe autonom fliegender Pinguine
Im Luftmeer mit kollektivem Verhalten fliegen 2 Pinguine sind faszinierende Tiere, die in ihrer stammesgeschichtlichen Entwicklung als Seevögel das Fliegen verlernt haben. Die Ingenieure haben bei diesem Projekt mit den AirPenguins künstliche Pinguine geschaffen und ihnen das „autonome Fliegen im Luftmeer“ beigebracht. Das gelernte Wissen aus diesem Forschungsprojekt des Bionic Learning Network von Festo soll für die zukünftigen Anforderungen der Automation von Produktionsprozessen nutzbar gemacht werden. AirPenguin – Technologieträger für adaptive Flügelschlagantriebe Der AirPenguin ist ein autonom fliegendes Objekt, das in seiner Beweglichkeit und Wendigkeit seinem natürlichen Vorbild nahe kommt. Der AirPenguin besteht aus einem mit Helium gefüllten Ballonett, das ca. 1cbm Helium fasst und somit ca. 1kg Auftrieb erzeugt. Am vorderen und am hinteren Ende des Ballonetts ist jeweils eine pyramidenförmige, aus vier Kohlefaserstangen bestehende flexible Struktur angebracht. Die vier Kohlefaserstangen sind jeweils durch Ringe im Abstand von ca. 10 cm gelenkig miteinander verbunden. Die Ringe zusammen mit den Kohlefaserstangen ergeben eine 3D Fin Ray®Struktur, die sich in allen Raumrichtungen frei bewegen lässt. Die Fin Ray®Struktur ist eine von der Anatomie der Fischflosse übertragene Struktur, die hier erstmals auf räumliche Anwendungen erweitert wurde. Die jeweils gegenüberliegenden Kohlefaserholme sind über Bowdenzüge und eine Doppelrolle miteinander verbunden und über ein Stellservo gegenläufig ein- und ausfahrbar. So entsteht eine spielfreie Drehung sowohl an der Nasenspitze als auch am Schwanzende des AirPenguins. Durch Überlagerung von zwei zueinander senkrecht stehenden Drehebenen kann damit jede Neigung im Bewegungsraum realisiert werden. Durch das Helium-Ballonett läuft ein Flügeltragholm, an dem die beiden Flügel anschließen. Es handelt sich hier um eine neuartige Flügelkonstruktion, mit der sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsschub erzeugt werden kann. Jeder Flügel wird mit insgesamt zwei Stellservos angesteuert: ein Schlagservo, das die Auf- und Abbewegung des Flügels realisiert und ein Stellservo für die Verstellung des Flügelholms zur Veränderung des Druckpunktes des Flügels. Des Weiteren gibt es ein zentrales Schwenkservo für beide Flügel, das den Schub des Flügelschlags nach oben bzw. unten lenkt und so ein Steigen oder Sinken der AirPenguins ermöglicht. Alle drei Servos werden proportional gesteuert. Das sichert eine stufenlose Steuerung der Schlagfrequenz, des Vorwärts- und Rückwärtsflugs sowie des Steig- und Sinkflugs. Die gesamte Flügelkonstruktion besteht aus einem Flügelholm mit einem flachen flexiblen Flügel aus extrudiertem Polyurethanschaum. Der Flügelholm ist am Drehpunkt des Rumpfes gelagert und kann entweder zur Flügelvorderkante bzw. zur Flügelhinterkante bewegt werden. Die Verstellung des Flügelholms zur Flügelvorderkante hin bewirkt beispielsweise, dass der Druckpunkt des Flügels in den vorderen Bereich wandert. Der Flügel wird in seinem Querschnitt durch den Druck der Luft so gebogen, dass hieraus ein Flügelprofil entsteht, das Vorwärtsschub erzeugt. Wird der Flügelholm in Richtung der Flügelhinterkante gestellt, verlagert sich der Druckpunkt dorthin; der AirPenguin fliegt dann rückwärts. Es wurde mit dieser Konstruktion erstmals ein selbstregelnder, Flügeldruck gesteuerter, passiv verdrehender und adaptiver Flügel realisiert.
3 AirPenguin – Autonome selbst steuernde Systeme mit kollektivem Verhalten Die AirPenguins sind darüber hinaus mit komplexen Navigationsund Kommunikationseinrichtungen ausgestattet. Das erlaubt ihnen autonom oder nach vereinbarten Regeln ihr „Luftmeer“ auf eigene Faust zu erkunden. Das Projekt dahinter: Eine Gruppe von drei autonom fliegenden Pinguinen bewegt sich frei schwebend in einem definierten Luftraum, der von unsichtbaren Ultraschall-„Sendestationen“ erfasst wird. Innerhalb dieses Raumes können sich die Pinguine frei bewegen. Ein intelligentes Programm auf dem Mikrocontroller gibt den Pinguinen einen freien Willen, diesen Raum zu erkunden. Der Mikrocontroller steuert ebenfalls insgesamt neun Digitalservos für die Flügel, die Nase und das Heck an. Mittels XBee, basierend auf ZigBee, können größere Datenmengen im 2.4 GHz-Band zwischen den Pinguinen und den Sendestationen per Funk übertragen werden. Basierend auf den Entfernungen der Pinguine zu den Sendestationen erkennen sich diese gegenseitig. Das schnelle und exakte Regeln erlaubt den AirPenguins ein kollisionsfreies Fliegen in der Gruppe bei gleichzeitiger Beherrschung von Höhenregelung und Lagestabilität. Die Pinguine können darüber hinaus auch synchrone Handlungen in der Gruppe ausführen. Ein umfangreiches zentrales Überwachungssystem wirkt sichernd, um Sensorausfällen entgegenzuwirken oder einen niedrigen Energievorrat festzustellen. Es erlaubt bei Bedarf auch die autonome Rückkehr zur Ladestation. Technologieträger für die Automatisierungstechnik von morgen Überträgt man die 3D Fin Ray®Struktur des Nasen- und Schwanzbereichs auf die Anforderungen in der Automatisierungstechnik, kann diese Struktur beispielsweise als flexibler Tripod mit einem sehr großen Arbeitsraum im Vergleich zu herkömmlichen Tripods eingesetzt werden. Mit elektrischen Antrieben ausgestattet, ermöglicht beispielsweise der BionicTripod von Festo ebenso wie der AirPenguin präzise und schnelle Bewegungen. In der Zukunft werden für die Automatisierung der Produktion autonome, flexible, adaptive und selbstregulierende Prozesse eine immer größere Bedeutung bekommen. Hier kann das Tierreich Anregungen geben, die umgesetzt durch findige Ingenieure zu neuen verblüffenden Anwendungen führen. Damit wird auch die Weiterentwicklung von Sensorik und Regelungstechnik auf dem Weg zu dezentralen und autonomen selbststeuernden und selbstorganisierenden Systemen – über die Inspiration aus der Natur – vorangetrieben. Die Übertragung auf die Automatisierungstechnik findet man analog dazu in der Regelungstechnik von Festo: beispielhaft in den neuen ProportionalDruckregelventilen VPPM und VPWP für die Servopneumatik. Heckpartie mit 3D Fin Ray®Struktur
Projektpartner Projektinitiator: Dr. Wilfried Stoll, Aufsichtsratsvorsitzender der Festo AG Projektleiter: Dipl.-Ing. (FH) Markus Fischer, Corporate Design, Festo AG & Co. KG Konzeption und Bau des AirPenguin: Rainer und Günther Mugrauer, Clemens Gebert Effekt-Technik GmbH, Schlaitdorf Konzeption und Bau der Autonomen Steuerung: Dipl.-Ing. Agalya Nagarathinam, Dipl.-Ing. Kristof Jebens Ingenieurbüro Jebens &Nagarathinam GbR, Gärtringen Fotos: Walter Fogel, Angelbachtal Grafik: Atelier Frank, Berlin Festo AG & Co. KG Ruiter Straße 82 73734 Esslingen Germany Telefon 0711347-0 Telefax 0711347-21 55 cc@de.festo.com www.festo.com/de/bionic Technische Daten Länge: 3,70 m Max. Rumpfdurchmesser: 0,88 m Heliumvolumen: 0,980 cbm Flügelspannweite: 2,48 m Gewicht: 1,0 kg Ansteuerung der Tragflächen, der Nase und der Heck-Flosse: 9 digitale Stellservos mit 180° Stellweg Materialien Auftriebskörper: Aluminium bedampfte Folie mit 22 g/qm Gewicht Kopf und Schwanzsegment: 3D Fin Ray Effect®Struktur aus Kohlefaserrohren Flügel: extrudierter Polyurethanschaum Flügelholm: Kohlefaserstab Akku für Flügelantrieb und Rumpfbiegung: Li-Po Akku 2000 mAh, 4,2 Volt Empfangssensorik: 32-Bit Mikrocontroller @50 MHz MCU 2x LM3S811 64 Kbytes Flash, 8 Kbytes Ram Höhenmessung: Drucksensor SCP 1000 Entfernungsmessung: Ultraschall Empfängerkapseln Messung der Drehrate um die Hochachse: Lisy300-AL Gyroskop Richtungs- und Lagesensorik: Lagekompensierter 3-Achs Kompass mit Accelerometer Temperaturmessung: Temperatursensor Funkübertragung auf 2.4 GHz: basierend auf ZigBee Strom und Spannungsüberwachung der Li-Po Zelle Überstromschutz: DS2764 Li-Po Protector Ladecontroller für eine Li-Po Zelle: Max1555 Ladecontroller Akku: Li-Po Akku 2000 mAh, 4,2 Volt Basisstationen/Sendestationen: 32-Bit Mikrocontroller @50 MHz MCU LM3S811 64 Kbytes Flash, 8 Kbytes Ram Höhenmessung: Drucksensor SCP 1000 Entfernungsmessung: Ultraschall Sender Temperaturmessung: Temperatursensor Funkübertragung auf 2.4 GHz: basierend auf ZigBee Strom und Spannungsüberwachung der Li-Po Zelle Überstromschutz: DS2764 Li-Po Protector Ladecontroller für eine Li-Po Zelle: Max1555 Ladecontroller Energiereserve für ca. 50 h Dauereinsatz: Li-Po Akku 2000 mAh, 4,2 Volt Marken: Fin Ray Effect®ist eine Marke der EvoLogics GmbH, Berlin 54708 de 7/2010
RkJQdWJsaXNoZXIy NzczNDE0