Seit zwei Jahren zielt der Leitgedanke von Microdrones darauf ab, Lösungen für verschiedene Vermessungs-, Inspektions- und Geodäsie-Aufnahmen zu erstellen. Bei der Entwicklung der Lösungen kommt es darauf an, ein optimal aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem zu erhalten.
Eine maximale Flugzeit von bis zu 45 Minuten, hohe Flugstabilität und Unempfindlichkeit gegenüber Wind und Wetter: Die Firma Microdrones ist bekannt für ihre leistungsfähigen Flugplattformen. Schließlich gilt das in Siegen gegründete Unternehmen als Erfinder von Quadrokoptern und hat in seiner Unternehmenshistorie das Ziel der Technologieführerschaft nie aus den Augen gelassen. Doch reichen die Flugparameter alleine aus, um im hart umkämpften Drohnenmarkt weiterhin erfolgreich zu sein? Die Frage stellte Business Geomatics an das Unternehmen, das derzeit insgesamt über 120 Mitarbeiter weltweit zählt – davon mehr als die Hälfte in Deutschland. Im Bereich Forschung und Entwicklung sind über 20 Mitarbeiter tätig.
Foto: Microdrones GmbH
Die Antwort, soviel sei zusammengefasst, ist ein entschiedenes „sowohl als auch”. „Die Flugzeit ist ein absolut kritischer Faktor für die Anschaffung von Drohnen, egal ob im Vermessungs- oder Inspektionsbereich“, weiß Dr. Michael Pontz, Entwicklungsleiter (CTO) bei Microdrones. Dafür sind Leichtbau, hohe mechanische Güte, hoher Wirkungsgrad beim Antrieb und hoch entwickelte aerodynamische Fähigkeiten in allen Bereichen essentiell. Dass die Akku-Systeme ebenfalls auf dem neuesten technologischen Stand sein sollten, ist selbstredend.
Spitzenwerte bei den Flugparametern sind also unerlässlich. Nun ist das Unternehmensprofil von Microdrones als reiner Hersteller von Flugplattformen allerdings nicht mehr ganz korrekt. Das Alleinstellungsmerkmal von Microdrones liegt im UAV-Markt darin, dass die Firma nicht verschiedene Flugplattformen entwickelt, sondern ein differenziertes Produktportfolio an Lösungen, die vornehmlich für Vermessungsaufgaben gedacht sind. Nutzlast, Flugplattform und Ausstattung sind dabei sorgfältig aufeinander abgestimmt.
Internationale Kooperation
Forschung und Entwicklung sind essentielle Aufgaben bei Microdrones, dafür verwendet das Unternehmen erhebliche Ressourcen. Bedingt durch die Unternehmensentwicklung (Zusammenschluss zweier Firmen) gibt es ein Entwicklerteam in Kanada und eines in Siegen in Nordrhein-Westfalen. Während die Kanadier vorwiegend an der Nutzlastentwicklung sowie der Nutzlastdatenverarbeitung arbeiten, liegen die Schwerpunkte in Deutschland auf der Optimierung der Flugplattformen. „Trotz der geographischen Trennung ist die Zusammenarbeit sehr intensiv“, sagt Dr. Michael Pontz. „Alle Microdrones-Lösungen haben mit den sehr langen Flugzeiten eine Spitzenposition im Marktvergleich, aber je mehr Technologie integriert werden muss, desto mehr Kompromisse müssen natürlich gemacht werden“, beschreibt Pontz. Um den optimalen Kompromiss zu erhalten, komme es auf sehr viele Details an. „Die Abstimmung der mechanischen, elektrischen und softwaretechnischen Komponenten ist dafür entscheidend“, erklärt der Entwicklungsleiter.
Aus welchen Komponenten eine Gesamtlösung konfiguriert wird, entscheidet immer deren Endzweck, beispielsweise bei den laserbasierten Systemen: Hier gibt es verschiedene Lösungen von einer „Einstiegsvariante“ mit einem Sensor des Herstellers Sick bis hin zu der High-End- Lösung mit einem Sensor von Riegl, der für besonders hohe Produktivität und Genauigkeit ausgelegt ist. Beide Systeme sind dabei Direct Georeferencing (DG)-Lösungen. Alle DG-Produkte können zu jedem Zeitpunkt der Bildauslösung / Datenerfassung ihre exakte Position und Lage im Raum erfassen. Dafür ist ein hochgenauer GNSS-Empfänger von Applanix integriert, der auch ein Trägheitsmodul besitzt. Dieses GNSS-Inertial- System besitzt einen sehr kleinen Formfaktor und gehört nach Herstellerangaben zu den leistungsfähigsten Komponenten seiner Art auf dem Weltmarkt. Es ist demnach auch bei schlechten Signalumgebungen in der Lage, seine Position und Lage im Raum äußerst exakt zu bestimmen.
Eine solch leistungsfähige Technologie ist für Microdrones äußerst wichtig, denn sie macht sich unmittelbar in der Anwendung bemerkbar. Sie macht die Verwendung von Ground Control Points (GCPs) weitestgehend überflüssig. Außerdem benötigt es weniger Überlappung, sprich die Flächenproduktivität der Drohne nimmt rapide zu. Konkret kann die mdMapper1000DG-Lösung bis zu 80 Hektar in einem Flug vermessen – rund 30 Prozent mehr als die nicht-DG Variante. Diese Eigenschaften sind auch bei der Flugsteuerung hinterlegt. „Unser Ziel ist es unter anderem, ein One-Bottom-System zu generieren“, so Pontz. Das heißt, der Anwender definiert lediglich die Aufnahmefläche und die für das Ergebnis notwendigen Grundeinstellungen. Bei der DG-Variante heißt das eben, dass per Knopfdruck hochgenaue Vermessungsdaten vorliegen oder bei einer Inspektionsbefliegung von Hochspannungsmasten automatisch alle Flug-, Aufnahme- und Missionsparameter definiert werden. „All dieses Wissen, Know-how und Erfahrungen liegen in dem fertig konfigurierten System vor“, so Pontz. So liegt beispielsweise auch die Software für die Flugplanung, -überwachung und -auswertung für die Android-Plattform vor. Der Hersteller geht schließlich davon aus, dass auch im Feld zukünftig zunehmend mobile Consumer-Endgeräte auf Touchscreen-Basis genutzt werden.
Lange Flugzeiten zentral
Die langen Flugzeiten von Microdrones sind ein Merkmal, das Microdrones bereits seit Beginn an besitzt. Schon vor fünf Jahren sorgte das Projekt eines Überflugs des Alpenhauptkamms für großes Aufsehen, bei dem der Quadrokopter bei erschwerten Wetterbedingungen über 25 Minuten in der Luft blieb.
In die Herstellung der Drohne fließt sehr viel Entwicklungsarbeit ein, sowohl im mechanischen als auch im elektronischen und softwaretechnischen Bereich. Foto: Microdrones GmbH
Zunächst einmal ist dafür das Chassis mitverantwortlich. Dieses wird aus Karbon handgefertigt. „Dies ist weltweit das Material, das geringes Gewicht und hohe Stabilität optimal verbindet,“ weiß Pontz und verweist dabei auf das im Modell- oder Sportgerätebau etablierte Material. Gewicht und Festigkeit resultieren aus einer millimetergenauen Verklebung der Kohlefaser-basierten Kunststoffe, und da jedes Gramm zählt, ist Qualitätsarbeit gefragt. Das zentrale Chassisteil wird auch als Monocoque bezeichnet und besteht aus einem Stück.
Auch die vier Rotoren werden im Auftrag von Microdrones nach genauen Spezifikationen gefertigt. Als bei Microdrones in der Phase der Unternehmensgründung die ersten Motoren gefertigt wurden, war dies reinste Entwicklungsarbeit. Heute gibt es UAV-Motoren zwar als Standardware, Microdrones ist jedoch immer bei der Maßanfertigung geblieben. „Die Rotoren sind enorm wichtig für das Gesamtsystem. Jeder Zugewinn an Leistungsfähigkeit potenziert sich gewissermaßen“, sagt der promovierte Physiker. Wobei sich hier eine konstruktive Besonderheit verbirgt, denn die Rotoren haben eine im Vergleich sehr geringe Drehzahl. „Bei den Rotoren spielt nicht nur das Gewicht eine Rolle, sondern auch der Wirkungsgrad des Motors. Je höher dieser ist, desto weniger Strom wird in Wärme gewandelt“, beschreibt Pontz. Die Antriebe bestehen aus hochpoligen Außenläufermotoren und treiben die Propeller ohne zusätzliches Getriebe direkt an. Da die Propeller sehr breit und großflächig sind, müssen die Motoren ein hohes Drehmoment liefern. Bei diesem Konzept ist es möglich, eine hohe mechanische Güte zu liefern. Das heißt: Geringe Reibungsverluste sorgen dafür, dass die Stromleistung nicht in Reibungswärme verpufft und so längere Flugzeiten ermöglicht. Die niedrige Drehzahl sorgt für eine ruhige Lage in der Luft und eine geringere Geräuschkulisse im Vergleich zu den hochfrequenten Varianten, die oft ein aggressives Bienenschwarm-Geräusch produzieren. „Das sonore Brummen unserer Fluggeräte sorgt auch dafür, dass die Drohnen nicht so schnell als aggressive Bedrohung wahrgenommen werden“, beschreibt Pontz. Auf den ersten Blick nicht gleich ersichtlich aber umso wichtiger ist der Zusammenhang von Rotoren/Antrieb und der Sensoraufhängung, den sogenannten Gimbals. An dieser Stelle investiert Microdrones ebenfalls viel Entwicklungsarbeit. Es gibt zwar Standard- Gimbals am Markt, diese sind jedoch meist auf hochfrequente Rotoren ausgelegt und demnach ungeeignet für die Aufnahme präziser Fotos oder Laseraufnahmen mit den Drohnen der md-Familie. Deren niederfrequente Rotoren sind aber essentiell für die langen Flugzeiten, folglich will auch das Gimbal maßgeschneidert werden. Die zentrale Aufgabe des Gimbals ist es nicht nur, die Bewegungen der Drohne auszugleichen, sondern auch das Vibrationsspektrum zu entkoppeln. Microdrones bietet dazu sowohl aktive als auch passive Gimbals an, die jeweils optimal auf den jeweiligen Sensor abgestimmt sind.
Einige Microdrones Systeme enthalten bereits „Brushless Gimbals“, also die neuste Generation an Hochleistungsaufhängungen, wie sie etwa im Film- und Medienbereich eingesetzt werden. Diese Varianten, die auch als aktive Gimbals bezeichnet werden, gleichen die Bewegungen und Vibrationen mit speziellen, bürstenlosen Motoren aus. Die komplexen Systeme aus Sensorik, Gyroskopen und Beschleunigungssensoren zielen auf eine perfekte Stabilisierung, Präzision und nahezu verzögerungsfreie Ausgleichsregelung von Kameras oder Lasern. Sie vermeiden Verzerrungseffekte bei der Aufnahme (Rolling Shutter, Jello, Wobble etc.), die nicht nur bei Filmaufnahmen vermieden werden, sondern auch in der Vermessung an der Genauigkeit zehren. Auch bei den passiven Gimbals bewegt sich Microdrones an der Grenze des derzeit Machbaren und bietet ein äußerst leichtes Gimbal an, das trotzdem auf allen Achsen gut entkoppelt. Für Microdrones ist die Vielfalt an dieser Stelle entscheidend, denn so kann das Unternehmen entscheiden, bei welcher Lösung welches Gimbal am besten ins Gesamtpaket passt.
Für die Systemintegration gilt: Je besser sie ist, desto weniger „spürt“ dies der Endanwender. Doch ohne diese Entwicklungsarbeit ist ein One-Bottom-System gar nicht möglich. Weiterer Vorteil: „Aufgrund unserer umfangreichen Entwicklungsarbeit können wir genau auf Kundenwünsche eingehen“, beschreibt Pontz. Und sie ist die Voraussetzung dafür, die Varianz der Produktfamilie weiter zu erhöhen und immer neue vertikal startende und landende, leistungsstarke Lösungen auf den Markt zu bringen, die alle einen kleinsten gemeinsamen Nenner besitzen: Die längste derzeit im wirtschaftlichen Rahmen machbare Flugzeit.