Im Rahmen des hauseigenen Bionic Learning Networks befasst sich Festo seit mehr als 15 Jahren mit der Faszination Fliegen. Seitdem haben die Esslinger Tüftler zahlreiche weitere Flugobjekte und ihre natürlichen Prinzipien erforscht und technologisch umgesetzt – und dabei von den biologischen Vorbildern gelernt. Eine besondere Herausforderung stellt in diesem Kontext das autonome Schwarmverhalten dar. Mit der BionicBee hat Festo Bionics jetzt erstmals ein Flugobjekt entwickelt, das in großer Stückzahl und völlig autonom im Schwarm fliegen kann.

Ultraleichte Flugobjekte mit filigranem Design

Mit etwa 34 Gramm, einer Länge von 22 Zentimetern und einer Flügelspannweite von 24 Zentimetern ist die BionicBee das bisher kleinste Flugobjekt des Bionic Learning Networks. Im Unterschied zu bisherigen Projekten bedienten sich die Entwickler bei der BionicBee erstmals der Methodik des generativen Designs: Nach Eingabe nur weniger Parameter findet eine Software auf Basis definierter Gestaltungsprinzipien die optimale Struktur, um so wenig Material wie nötig bei möglichst stabiler Konstruktion aufzuwenden. Dieser konsequente Leichtbau ist elementar für eine gute Manövrierfähigkeit und Flugdauer.

Funktionsintegration auf kleinem Bauraum

Im Bienenkörper befinden sich die kompakte Konstruktion für den Schlagflügelmechanismus, die Kommunikationstechnik sowie die Steuerungskomponenten für Flügelschlag und Adaption der Flügelgeometrie. Auf engstem Raum sind ein Brushless-Motor, drei Servomotoren, der Akku, das Getriebe sowie verschiedene Platinen verbaut. Durch das intelligente Zusammenspiel von Motoren und Mechanik lassen sich zum Beispiel die Frequenz des Flügelschlags für die verschiedenen Manöver präzise einstellen.

Natürliche Flugmanöver mit vier Freiheitsgraden

Die künstliche Biene fliegt mit einer Flügelschlagfrequenz von 15 bis 20 Hertz. Dabei schlagen die Flügel im 180-Grad-Winkel vor und zurück. Der Brushless-Motor treibt den Flügelschlag spielfrei über eine präzise geführte und ausgesprochen leichte Mechanik-Konstruktion an. Je höher die Drehzahl, desto höher die Schlagfrequenz und der Auftrieb. Die drei Servomotoren an der Flügelwurzel verändern die Geometrie des Flügels gezielt, erhöhen so in bestimmten Flügelstellungen die Effektivität und führen zu einer gezielten Variation des erzeugten Auftriebs.

Eine Frage der Geometrie

Soll die Biene zum Beispiel vorwärts fliegen, wird die Geometrie so eingestellt, dass der Auftrieb in der hinteren Position der Flügelstellung größer ist als in der vorderen Position. Dadurch neigt sich der Körper nach vorne und die Biene geht in den Vorwärtsflug. Ist die Geometrie so eingestellt, dass der rechte Flügel mehr Auftrieb erzeugt als der linke Flügel, rollt die Biene um die Längsachse nach links und fliegt seitlich weg. Eine weitere Möglichkeit ist die Verstellung in der Art, dass ein Flügel vorne mehr Auftrieb erzeugt und der zweite Flügel hinten mehr Auftrieb erzeugt. Dadurch dreht die Biene sich um die Hochachse.

Autonomes Fliegen im Schwarm

Das grundsätzlich Neue, ja beinahe schon Revolutionäre an der BionicBee ist aber ihre Fähigkeit, im Schwarm zu fliegen. Um die bis zu zehn Bienen autonom in der Luft miteinander interagieren zu lassen, bedienten sich die Entwickler eines Indoor-Lokalisierungssystems mit Ultra-Wideband-Technologie (UWB). Hierzu sind acht UWB-Anker auf zwei Ebenen im Raum installiert, die eine genaue Laufzeitmessung ermöglichen. Auf diese Weise können sich die Bienen 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.

Hohe räumliche und zeitliche Genauigkeit

Um gemeinsam 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.

Automatische Kalibrierfunktion für jede einzelne Biene

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 Regler-Parameter. Die intelligente Algorithmik kann auf diesem Wege die Hardwareunterschiede zwischen den einzelnen Bienen herausrechnen, und so lässt sich der gesamte Schwarm von außen steuern, als wären alle Bienen identisch.

Video