Energieeffizienter Tragflächenflug dank intelligenter Regelung

Autonome Flugdrohnen haben das Potenzial, den urbanen Verkehr zu revolutionieren – etwa für den schnellen und emissionsfreien Transport von Medikamenten oder Ersatzteilen. Für den zuverlässigen und wirtschaftlichen Einsatz müssen sie in der Lage sein, senkrecht zu starten und zu landen, aber auch lange Strecken energieeffizient im Tragflächenflug zurückzulegen. Diese Kombination stellt hohe Anforderungen an die Flugregelung und die koordinierte interdisziplinäre Entwicklung komplexer mechatronischer Systeme.

Mit dem ALBACOPTER® wird in einem groß angelegten Fraunhofer-Leitprojekt eine solche hybride Flugplattform umgesetzt. Inspiration für die Namensgebung ist der Albatros, ein Segelflugvogel, der mit minimalem Energieeinsatz über weite Distanzen gleitet. Ziel ist es, Drohnentechnologie so weiterzuentwickeln, dass sie künftig sicher, nachhaltig und wirtschaftlich in Logistiksystemen eingesetzt werden kann.

Das Fraunhofer IEM entwickelt mit seinen Partnern eine autonome Flugdrohne, die sich flexibel in urbanen und ländlichen Umgebungen einsetzen lässt. Das Experimentalsystem verbindet die Vorteile eines Multikopters mit denen eines Tragflächenflugzeugs: Es kann auch in dicht bebauten städtischen Gebieten landen und starten – und gleichzeitig lange Strecken energieeffizient zurücklegen.

Die Paderborner Wissenschaftler:innen bringen dafür insbesondere ihre Expertise in Modellbildung, Regelungstechnik, eingebetteten Systemen und Systemintegration ein. Konkret konzipieren sie modulare Simulationsumgebungen, mit denen sich das Flugverhalten unter verschiedenen Bedingungen und mit unterschiedlichen Konfigurationen effizient abbilden lässt. Auf dieser Basis entstehen präzise Regelungsalgorithmen, die besonders den komplexen Übergang zwischen vertikalem Startflug und horizontalem Tragflächenflug beherrschen. Diese Flugphasenübergänge sind eine der größten technischen Herausforderungen – hier sorgt das Fraunhofer IEM für die zuverlässige und sichere Umsetzung durch modellbasierte Entwicklung und umfangreiche Tests am 3-DOF-Prüfstand.

Neben der softwareseitigen Flugsteuerung ist das Fraunhofer IEM maßgeblich an der Entwicklung der zugehörigen Hardware beteiligt. Ein modularer Busknoten wurde entworfen, der die flexible Integration verschiedenster Sensoren und Aktoren erlaubt. Redundanzmechanismen in der Steuerung stellen sicher, dass das System auch bei Teilausfällen funktionsfähig bleibt. Die gewonnene Modularität erlaubt schnelle Anpassungen an neue Designvarianten oder Einsatzszenarien – ein wichtiger Schritt hin zur Marktfähigkeit autonomer Drohnensysteme für urbane Anwendungen.

Im Jahr 2025 wird das Projekt abgeschlossen. Zunächst testet das Fraunhofer IEM die Flugsteuerung des ALBACOPTER auf einem 3-Freiheitsgrade-Prüfstand. Im Anschluss hebt die Flugdrohne auf dem nationalen Erprobungszentrum für unbemannte Luftfahrtsysteme Cochstedt erstmalig ab – und liefert wichtige Erkenntnisse für die Weiterentwicklung des autonomen Fliegens.