BionicFlyingFox

BionicFlyingFox

Ultraleichtes Flugobjekt mit intelligenter Kinematik 

Für den BionicFlyingFox haben unsere Entwickler aus dem Bionic Learning Network den Flughund unter die Lupe genommen und sein spezielles Flugverhalten technisch umgesetzt. Durch das Zusammenspiel der integrierten On-Board-Elektronik mit einem externen Motion-Tracking-System kann das ultraleichte Flugobjekt sich dabei teilautonom in einem abgesteckten Luftraum bewegen.

Der Flughund (englisch: flying fox) zählt zur Ordnung der Fledertiere – die einzigen Säugetiere, die aktiv fliegen können. Ein besonderes Kennzeichen ist seine feine und elastische Flughaut, die sich von den verlängerten Mittelhand- und Fingerknochen bis zu den Fußgelenken erstreckt. Beim Fliegen steuern die Tiere mit ihren Fingern gezielt die Wölbung der Flugmembran und können sich so aerodynamisch und wendig durch die Luft bewegen. Dadurch erzielen sie einen maximalen Auftrieb, auch bei langsamen Flugmanövern.

Agile Kinematik nach natürlichem Vorbild

Bei einer Spannweite von 228 cm und einer Körperlänge von 87 cm wiegt der künstliche Flughund lediglich 580 Gramm. Seine Flügelkinematik ist wie beim natürlichen Flughund ebenfalls in Arm- und Handschwinge gegliedert und mit einer elastischen Haut bespannt, die sich von den Flügeln bis zu den Füßen fortsetzt. Dadurch ist seine Flügelfläche vergleichsweise groß und erlaubt eine geringe Flächenbelastung. Wie beim biologischen Vorbild liegen alle Gelenkpunkte auf einer Ebene, sodass der BionicFlyingFox seine Flügel einzeln ansteuern und zusammenfalten kann.

Speziell entwickelte Flugmembran

Die Flughaut des Modells ist hauchdünn, ultraleicht und gleichzeitig robust. Sie besteht aus zwei luftdichten Folien und einem Elastan-Gestrick, die an circa 45.000 Punkten miteinander verschweißt sind. Aufgrund ihrer Elastizität bleibt sie auch beim Einziehen der Schwingen nahezu faltenfrei. Die Wabenstruktur des Gestricks verhindert, dass kleine Risse in der Flughaut sich weiter vergrößern. Damit kann der BionicFlyingFox selbst bei leichten Beschädigungen des Gewebes weiterfliegen.

Raffinierte Konstruktion: die im Rumpf verbaute On-Board-Elektronik im Zusammenspiel mit der Mechanik in den Flügeln
Raffinierte Konstruktion: die im Rumpf verbaute On-Board-Elektronik im Zusammenspiel mit der Mechanik in den Flügeln

Teilautonomes Fliegen im abgesteckten Raum

Damit der BionicFlyingFox sich in einem definierten Luftraum teilautonom bewegen kann, kommuniziert er mit einem so genannten Motion-Tracking-System. Die Installation erfasst permanent seine Position. Gleichzeitig plant das System die Flugbahnen und liefert die dazu nötigen Steuerbefehle. Start und Landung führt der Mensch manuell aus. Im Flug übernimmt ein Autopilot.

Bewegliches Kamerasystem für eine exakte Lokalisierung

Wichtiger Bestandteil des Motion-Tracking-Systems sind zwei Infrarotkameras, die auf einer Schwenk-Neige-Einheit (engl. pan-tilt unit) sitzen. Dadurch lassen sie sich so drehen und kippen, dass sie den gesamten Flug des BionicFlyingFox vom Boden aus verfolgen können. Die Kameras erkennen den Flughund dabei anhand von vier aktiven Infrarotmarkern, die an den Beinen und den Flügelspitzen angebracht sind.

  • Verblüffende Parallelen: das bionische Flugmodell und sein natürliches Vorbild

    Verblüffende Parallelen: das bionische Flugmodell und sein natürliches Vorbild

  • Einzigartiges Flugverhalten dank elastischer Flughaut und intelligenter Kinematik

    Einzigartiges Flugverhalten dank elastischer Flughaut und intelligenter Kinematik

  • Robuste Flughaut: Die Wabenstruktur verleiht der ultraleichten Membran die nötige Stabilität

    Robuste Flughaut: Die Wabenstruktur verleiht der ultraleichten Membran die nötige Stabilität

  • Der künstliche Flughund kann seine Flügel einzeln ansteuern und individuell zusammenfalten

    Der künstliche Flughund kann seine Flügel einzeln ansteuern und individuell zusammenfalten

  • Permanente Kommunikation zwischen dem BionicFlyingFox und dem Motion-Tracking-System

    Permanente Kommunikation zwischen dem BionicFlyingFox und dem Motion-Tracking-System

  • Das bewegliche Kamerasystem kann dem Flugobjekt dynamisch folgen

    Das bewegliche Kamerasystem kann dem Flugobjekt dynamisch folgen

Maschinelles Erlernen der idealen Flugbahn

Die Bilder der Kameras gehen an einen zentralen Leitrechner. Er wertet die Daten aus und koordiniert den Flug wie ein Fluglotse von außen. Dazu liegen auf dem Rechner vorprogrammierte Pfade, die dem BionicFlyingFox bei seinen Manövern die Flugbahn vorgeben. Die nötigen Flügelbewegungen, um die Sollbahnen optimal umzusetzen, berechnet der künstliche Flughund mithilfe seiner On-Board-Elektronik und komplexer Verhaltensmuster selbst.

Die dafür notwendigen Regelalgorithmen erhält der Flughund vom Leitrechner, wo sie maschinell erlernt und permanent verbessert werden. Dadurch kann der BionicFlyingFox sein Verhalten während der Flüge optimieren und so die vorgegebenen Bahnen von Runde zu Runde präziser nachfliegen. Die Steuerung erfolgt dabei über die Bewegung der Beine und der damit veränderbaren Flügelfläche.