Festo: Selbst optimierende Systeme Autonomes Fliegen im Schwarm

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Das Bionic Learning Network hat erstmals ein Flugobjekt entwickelt, das in grosser Anzahl und völlig autonom im Schwarm fliegen kann. Die Bionic Bee zeigte ihre erste Flugshow zur Hannover Messe 2024.

Seit mehr als 15 Jahren befasst sich das Bionic Learning Network mit der Faszination Fliegen. Neben der technischen Ent­schlüsselung des Vogelflugs hat das Team zahlreiche weitere Flugobjekte und ihre natürlichen Prinzipien erforscht und technologisch umgesetzt. Daraus entstand unter anderem die Bionic-Bee. Sie ist nur 34 g schwer und 220 mm lang. Ihre Flügel spannen 240 mm. Damit ist sie das bisher kleinste vom Netzwerk entwickelte Flug­objekt.

Automatisiert konstruiert

Erstmals bedienten sich die Entwickler der Methodik des generativen Designs. Nach Eingabe weniger Parameter findet eine Software auf Basis de­finierter Gestaltungsprinzipien die optimale Struktur, um so wenig Roh- und Werkstoffe wie nötig bei möglichst stabiler Konstruktion aufzuwenden. Dieser kon­sequente Leichtbau ist elementar für eine gute Manövrier­fähigkeit und Flugdauer.

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Autonom durch externes Lokalisieren

Das autonome Verhalten des Bienenschwarms gelingt mithilfe eines Indoor-Lokalisierungssystems mit Ultra-Breitband-Technologie (UWB). Hierzu sind acht UWB-Anker auf zwei Ebenen im Raum in­stalliert. Dadurch ist eine präzise Laufzeitmessung möglich und die Bienen können sich im Raum lokalisieren. Die UWB-Anker senden Signale an die einzelnen Bienen, die eigenständig die Abstände zu den jeweiligen Sendeelementen messen und anhand der Zeitstempel ihre eigene Position im Raum berechnen können.

Von Rechner hochgenau gesteuert

Um im Schwarm zu fliegen, folgen die Bienen den von einem zentralen Rechner vorgegebenen Pfaden. Für den sicheren und kollisionsfreien Flug in enger Formation ist dabei eine hohe räumliche und zeitliche Genauigkeit notwendig. Bei der Bahnplanung muss auch die mögliche gegenseitige Interaktion durch Luftverwirbelungen (down-wash) berücksichtigt werden.

Automatisch selbst kalibrieren

Da jede Biene in Handarbeit gebaut wird und schon kleinste Fertigungsunterschiede das Flugverhalten beeinflussen können, verfügen die Bienen darüber hinaus über eine automatische Kalibrierfunktion. Nach einem kurzen Testflug bestimmt jede Biene ihre individuell optimierten Reglerparameter. Die intelligente Algorithmik kann auf diesem Wege die Hardwareunterschiede zwischen den einzelnen Bienen herausrechnen. Somit lässt sich der gesamte Schwarm von aussen steuern, als wären alle Bienen identisch.

(kmu)

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