3 eMotionButterflies 2 Festo AG & Co. KG Das Fliegen ist nicht nur einer der ältesten Menschheitsträume, sondern auch ein immer wiederkehrendes Thema im Bionic Learning Network. Im Verbund mit Hochschulen, Instituten und Entwicklerfirmen entwirft Festo seit Jahren Forschungsträger, deren technische Grundprinzipien aus der Natur abgeleitet sind. Waren die ersten bionischen Flugobjekte von Festo noch mit Helium gefüllt, konnte der SmartBird mit seinem Schlagflügel bereits eigenständig für den nötigen Auftrieb sorgen. Infolgedessen setzten die Entwickler mit dem BionicOpter den Libellenflug technisch um und zeigten mit den eMotionSpheres, wie sich mehrere autonome Flugobjekte in einem abgesteckten Raum kollisionsfrei bewegen können. Mit den eMotionButterflies kombiniert Festo nun den Ultraleichtbau künstlicher Insekten mit dem koordinierten Flugverhalten im Kollektiv. Um dem Flug ihres natürlichen Vorbilds so nahe wie möglich zu kommen, verfügen die künstlichen Schmetterlinge über eine hochintegrierte On-Board-Elektronik. Sie kann die Flügel präzise und individuell ansteuern und so die schnellen Bewegungen umsetzen. Damit die Schmetterlinge die unterschiedlichen Manöver prozess- sicher und stabil fliegen, ist eine permanente Kommunikation nötig. Für die Lokalisierung der einzelnen Flugobjekte sorgen die Funk- und Sensortechnologie an Bord in Kombination mit dem installierten Leit- und Monitoringsystem. Wichtiger Bestandteil des Indoor-GPS ist ein Kamerasystem, wie es auch in der Fabrik der Zukunft eingesetzt werden könnte. Zehn im Raum angebrachte Infrarotkameras erfassen die Schmetterlinge über zwei aktive Marker (Infrarot-LEDs). Die Kameras leiten die Positionsdaten an einen zentralen Leitrechner weiter, der wie ein Fluglotse fungiert und die Schmetterlinge von außen koordiniert. Klare Verhaltensmuster für kollisionsfreies Bewegen Zur Steuerung der eMotionButterflies ist daher kein menschlicher Pilot notwendig. Auf dem zentralen Rechner liegen vorprogrammierte Pfade, die den Schmetterlingen bei ihren Manövern die Flugbahnen vorgeben. Mithilfe von zusätzlich hinterlegten Verhaltensmustern können sie sich aber ebenso autonom durch den Raum bewegen. Eine direkte Kommunikation zwischen den bionischen Flugobjekten findet dabei nicht statt. eMotionButterflies Koordiniertes Fliegen dank Indoor-GPS Jeder Schmetterling erhält seine Flugbahn von dem zentralen Leitrechner per Funk und versucht diese optimal umzusetzen. Die dafür nötigen Flügelbewegungen werden dezentral an Bord der Flugobjekte berechnet. Kommt ein Schmetterling von seiner Bahn ab, wird diese umgehend korrigiert. Dazu misst das Kamerasystem 160 Mal pro Sekunde die exakte Ist-Position aller Flugobjekte, worauf der Leitrechner jede Abweichung neu einregelt. Die Planung der Flugbahnen wird also permanent aktualisiert und die Gefahr von Kollision frühzeitig erkannt. Um diese zu vermeiden, entwirft der Rechner entsprechende Ausweichstrategien auf Basis der definierten Regeln. Exakte Positionsbestimmung dank Infrarottechnik Die zehn Kameras sind dabei so positioniert, dass sie den Raum gesamthaft abbilden und jeder Schmetterling von mindestens zwei Kameras erfasst wird. Durch ihre speziellen Filter nehmen sie nur Infrarotlicht auf und sind unempfindlich gegenüber anderem Licht. Anhand der beiden Infrarot-LEDs am Rumpf der Schmetterlinge erkennen sie deren Position und Orientierung im Raum und können zudem die optisch identischen Flugobjekte unterscheiden. Große Raumabdeckung durch aktive Marker Während passive Reflektoren erst angeleuchtet werden müssen, strahlen die zwei LEDs selbst ein Infrarotsignal aus. Das Licht muss nur die Strecke zwischen Schmetterling und Kamera zurücklegen, sodass mit den aktiven Markern ein größerer Raum mit der gleichen Anzahl an Kameras erfasst werden kann. Die Marker leuchten dabei nicht permanent, sondern blitzen nur für eine Millisekunde auf. Dadurch sind sie äußerst langlebig und energieeffizient. Synchronisiert mit dem Aufblitzen zeichnen die Kameras ein Bild auf, das sie an den Leitrechner senden. Schnelle Kalibrierung des Systems Damit der zentrale Leitrechner weiß, wo sich die Schmetterlinge im Raum befinden, muss er zuerst die Positionen der Kameras kennen. Die nötige Kalibrierung des Systems lässt sich schnell und einfach durchführen. Dazu fliegt ein zusätzliches Flugobjekt mit einem Messkreuz für etwa 15 Minuten frei durch den Raum und wird dabei von den Kameras erfasst. Anhand der aufgezeichneten Flugdaten kann der Rechner die exakten Standorte und Ausrichtungen aller Kameras im Koordinatensystem bestimmen. 03: Modernste Infrarottechnik: präzise Lokalisierung der Schmetterlinge 01: Konsequente Weiterführung: Ultraleichtbau und kollektives Verhalten in Kombination 04: Sicherer Umgang: gefahrlose Interaktion zwischen Mensch und Maschine 02: Vernetztes Gesamtsystem: die Verschmelzung von virtueller und realer Welt 01 02 03 04
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