Gleitflug mit Quadcoptern

Wie ein Quadcopter funktioniert dürfte inzwischen Allgemeinwissen sein: Nach dem Rotationsprinzip werden 4 Motoren in hohe Drehzahl versetzt die dann das Fluggerät anheben. Was jedoch nicht allgemein bekannt ist ist die Tatsache dass man UAV auch im Gleitflug betreiben kann. Das ist von der Steuerung her anspruchsvoller am möglich. Zur ersten Annäherung an das Thema bringt man einen Quadcopter in einen schnellen Vorwärtsflug und deaktiviert dann ruckartig den Motor. Physikalisch betrachtet hat man dann ein passives Flugobjekt mit einer Position und einer Geschwindigkeit die allein durch den Drift weiterfliegt. Natürlich nicht undendlich lange sondern in einem Parabelflug welcher durch die Erdanziehung bestimmt wird.

Aber es sind noch weitere Experimente möglich. Und zwar steuert man einen Quadcopter auf eine Höhe von 3 Metern, hält ihn unbeweglich in der Luft und deaktiviert wiederum die Motoren. Als Folge fällt das Fluggerät herunter wie ein Stein, jetzt muss man kurz vor dem Boden die Motoren in maximalen Schub versetzen und kann so den Fall abbremsen. Auch in diesem Fall wird die Flugbewegung erzeugt durch eine Mischung aus äußeren Kräften die man nicht steuern kann und den Motoren am Flugobjekt.

Der Grund warum derartige Flugmannöver nur selten angewendet werden liegt in der komplexen Steuerung. Immer wenn man den Motor deaktiviert, wird der Quadcopter untersteuert. Es ist vergleichbar mit dem Auskoppeln bei einem Auto. In diesen Fällen wirkt die Erdanziehungskraft und führt im Regelfall zu einem Absturz, den man nur durch erneute Steuerung ausgleichen kann. Diese Steuerung manuell durchzuführen ist aufwendig. Zwar sind geübte Piloten in der Lage ein UAV auf diese Weise vor dem Boden abzufangen, aber dafür ist ein hohes Maß an Konzentration erforderlich. Deutlich einfacher ist es, wenn man autonome Fluggeräte einsetzt. Hierzu benötigt man einen Motion Planner der ein underactuated System steuern kann. Als Inputparameter erhält der Motion Planner den aktuellen Zustand (zum Beispiel: ein frei fallender Quadcopter mit deaktivierten Motoren) und der Planner berechnet dann die nötigen Aktionen die einen Aufprall verhindern.

Rein technisch gesehen ist es möglich, wenn man mit einer Zeppelin Mutterschiff 10 Mini-UAV aus der Luft abwirft und diese dann nach der Freifallphase verzögert die Motoren aktivieren. Üben kann man solche Mannöver am besten unter Wasser oder im Weltraum wo die Schwerkraft reduziert ist und das Timing nicht so exakt zu sein braucht. Die grundlegende Idee lautet, dass man nicht nur die UAV Fluggeräte selbst steuert sondern auch Flugphasen trackt, bei denen die Rotoren deaktiviert sind. Rein formal sind UAV zwar keine Segelboote, können aber auf ähnliche Weise gesteuert werden. Auch beim sogenannten „Powerline perching“ sind solche Mannöver nötig. Die Zielposition erreicht man nur wenn man das Abstellen des Motors mit berücksichtigt. Die ersten Versuche wurden vom M.I.T. im Jahr 2010 durchgeführt und waren damals absolutes Neuland. Inzwischen gibt es weitere Universitäten die sich damit beschäftigen.

Das interessante an solchen Mannövern ist es, dass das Fluggerät auch dann „on“ ist wenn die Motoren abgestellt sind. Wenn man mitten im Flug die Elektromotoren deaktiviert bleibt das Fluggerät eben nicht in der Luft stehen und ist damit deaktiviert sondern das umgebende System (Erdanziehung) übernimmt dann die Kontrolle. Obwohl sich das zunächst wie ein Physik-Problem anhört ist es primär ein Softwareproblem. Um die Steuerung zu übernehmen benötigt man einen Algorithmus der ähnlich funktioniert wie eine Chess-Engine.