Drohnenlogistik Nachhaltige Transportdrohne mit smartem Batteriesystem

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Die Urban Air Mobility (UAM) kann den Transports von Waren und Gütern verändern und Teile des städtischen Verkehrs in die Luft verlagern. Das Fraunhofer-IVI hat da eine Idee ...

Im Fraunhofer-Leitprojekt Albacopter stellen sich sechs Fraunhofer-Institute den im Rahmen der UAM verbundenen technischen und sozialen Fragestellungen. Gefragt sind etwa sichere und geräuscharme Drohnen sowie VTOL-Systeme (Vertical Take-Off and Landing), die gleichzeitig über sehr hohe Antriebsleistungen im Schwebeflug verfügen. Unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI entwickeln die Forscher nun ein Fluggerät, das – ganz nach dem Vorbild des Albatros – besonders effizient gleitet, wie man erfährt.

Erste Flug für diesen Herbst geplant

Vor diesem Hintergrund startete 2021 ein Fraunhofer-Leitprojekt mit dem Ziel, eine fliegende Plattform aufzubauen, welche die Vorteile agiler Multicopter mit der Effizienz von Gleitern vereint. Mit dem Albacopter soll ein Experimentalfluggerät entwickelt werden, das die Manövrierfähigkeit des Multicopters mit der Fähigkeit des Albatros paart, über große Distanzen mit minimalem Energieaufwand segeln zu können, erklärt Prof. Matthias Klingner, Projektleiter und Leiter des Fraunhofer IVI. Zu den herausragenden Besonderheiten des Experimental-VTOL-Gliders gehörten der Drohnenflugkörper und die Frachtcontainer aus nachhaltigen Materialien, kräftige Koaxialantriebe, effiziente Multisensorsysteme zu Umfeldwahrnehmung und Funktionsüberwachung, sowie eine ausfallsichere Bordelektronik mit KI-basiertem Autopilot. Der Albacopter soll Fraunhofer-Technologien demonstrieren, die in der stark wachsenden Aerospace- respektive Logistikbranche voraussichtlich in den kommenden fünf bis acht Jahren nachgefragt würden. Zwischen Heli- beziehungsweise Multicopter und konventionellem Starrflügler etablieren sich derzeit die sogenannten hybriden Copter-Glider in Form von Schwenkflüglern sowie Multicopter mit ausfahrbaren Tragflächen und Schwenkrotoren. Als VTOL-Glider wird der Albacopter zur Erprobung dieser unterschiedlichen VTOL-Technologien zur Verfügung stehen.

Die Konzeptvalidierung erfolgt in mehreren Stufen an geeigneten Flugmodellen, Experimenten im Windkanal, „Iron Bird“-Aufbauten sowie XiL-Systemsimulationen am digitalen Zwilling des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB. Eine skalierte Drohnenversion mit sieben Metern Spannweite und circa 25 Kilogramm Nutzlast wird noch im Herbst abheben, wie man betont. Anfang 2024 folgen dann umfangreiche Flugtests. Der Komplexität stellt sich das Konsortium durch Bündelung verteilter Institutskompetenzen, die sich folgendermaßen darstellen:

Das tragen die IVI-Partner zum Albacopter bei:

Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwarf Struktur und aerodynamische Komponenten. Erstere integriert die am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT entwickelten, pultrudierten Profile, also stranggezogene Komponenten, die eine aus faserverstärktem Thermoplast bestehende Spaceframe-Architektur bilden. Ebenso wie die aus Biopolymerhartschaum hergestellten Transportcontainer seien diese Systemkomponenten leicht recycelbar. Laut Prof. Frank Henning, Leiter des Fraunhofer ICT, basiert das effiziente Antriebskonzept des Albacopter im Gegensatz zu den heute zumeist mit Direktantrieben ausgerüsteten e-VTOL-Systemen auf leistungsdichten, hochdrehenden Synchronmaschinen mit mehrstufiger Übersetzung. Für realitätsnahe Erprobungen schwenkbarer e-VTOL-Antriebe in den Leistungsklassen bis zu 450 Kilowatt stellt das Fraunhofer ICT außer der neuen Antriebstechnik auch einen speziellen Antriebsprüfstand zur Verfügung.

Und das Batteriespeicherkonzept des Albacopters beruhe auf zyklenfesten Sekundärzellen, die hochreversible Lade- und Entladeprozesse gewährleisteten. „Die Degradation der Zellen und mögliche Ausfallmechanismen bei Strömen, wie sie in Flugphasen mit besonderen Leistungsanforderungen auftreten, wurden von uns detailliert untersucht“ erläutert Prof. Tobias Melz, Leiter des LBF.

Mit ausfallsicherer Bordnetzarchitektur unterwegs

Robuste, hoch performante und leichte Multisensorsysteme bilden in Kombination mit den empfindlichen Einzel-Photonen-Lidar-Detektoren des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS dabei die Grundlage für die lückenlose Umfelderfassung des Albacopters. Die semantische 3D-Rekonstruktion der Umgebung erfolge anschließend auf Basis von vertrauenswürdigen KI-Systemen. In Verbindung mit der „intelligenten“ Trajektorienplanung lassen sich darüber innovative Funktionen implementieren, so etwa die autonome (Not-)Landung, die zu den wichtigsten Sicherheitsfeatures zählt, erklärt Henri Meeß, Gruppenleiter Hochautomatisiertes Fliegen am IVI.

Zusammen mit einer, wie betont wird, ausfallsicheren RISC-V-Bordnetzarchitektur, einem kontinuierlichen Monitoring, einer stabilen 5G-Kommunikation und einem redundanten Autopiloten ergibt sich ein dediziert auf die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen der UAM ausgerichtetes Gesamtsystem. Dem Autopiloten untergeordnet ist dabei die modellbasierte Fluglageregelung des Fraunhofer-Instituts für Entwurfstechnik Mechatronik IEM, die insbesondere in den kritischen Transitionsphasen zwischen Schwebe- und Gleitflug ein stabiles Regelverhalten aufweist. Erste Highlights präsentiert das Konsortium auf der IAA Mobility in Halle B1

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