AT-Mitteilung

Mechatronische Systementwicklung am Beispiel eines Quadrokopters

Quadrokopter sind Fluggeräte an denen beispielhaft sehr eindrucksvoll die Bandbreite der mechatronischen Systementwicklung demonstriert werden kann.

Im Rahmen von Forschungsaktivitäten des Lehrgebietes Automatisierungstechnik und Systemtechnik wurde von Frau B.Eng. Belyaeva in einem mehrstufigen Projekt die mechatronische Systementwicklung eines Quadrokopters durchgeführt und mit Methoden der Finiten-Elemente-Methode und des Rapid-Control-Prototypings berechnet und simuliert.

Quadrokopter sind kleine Luftfahrzeuge, die ihren Auftrieb ähnlich einem Hubschrauber mit Rotoren erzeugen. Im Gegensatz zu Hubschraubern besitzen Quadrokopter – wie der Name andeutet – vier Hauptrotoren aber keinen Heckrotor. Die Rotationsbewegung der vier Rotoren ist dabei so orientiert, dass sich die Drehmomente im Schwebeflug in Summe kompensieren. Diese Quadrokopter werden oftmals auch als Drohne bezeichnet, da sie unbemannt sind und in vielen Fällen mit einem Fluglageregler und Positionsortungssystems ausgestattet sind, so dass sie autonom fliegen können.

In den letzten Jahren hat sich ein breiter Markt entwickelt, in dem Quadrokopter vom handtellergroßen Freizeitfluggerät bis hin zu professionellen System für die Luftaufklärung im zivilen oder militärischen Bereich angeboten werden. Grundsätzlich existieren vielzählige unterschiedliche Bauformen in sehr breiten Preissegmenten.

Im Rahmen dieses Forschungs- und Entwicklungsprojektes sollte ein Quadrokopter entwickelt und analysiert werden, bei dem – im Gegensatz zu frei verfügbaren Geräten – möglichst viele Konstruktionselemente als 3D druckbare Werkstücke ausgeführt werden sollten. Als 3D Druckverfahren sollte das im Lehrgebiet verfügbare Fused-Layer-Modelling (FLM) Verfahren genutzt werden.

Werkstücke, die mit additiven Fertigungsverfahren, wie dem FLM, hergestellt werden, können einerseits mit einem sehr geringen spezifischen Gewicht gefertigt werden, haben andererseits aber nicht die Festigkeitseigenschaften von beispielsweise Kunststoffspritzgusswerkstücken. Daher sollte eine Belastungsanalyse der Bauteile mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) während der Konstruktion erstellt werden, um Abschätzungen für die zu erwartenden Werkstückbelastungen zu erlangen. Abbildung 1 zeigt den Konstruktionsentwurf des Quadrokopters, wobei die Hauptausleger für die Motoren als Carbon-Rohre ausgeführt sind. Die restlichen Werkstücke des Chassis sind so konstruiert, dass sie per 3D Druck hergestellt werden können. Abbildung 2 zeigt erste Simulationsergebnisse des Quadrokopters bei horizontaler Anlaufströmung und rotierenden Rotoren.

Prof. Dr.-Ing. E. Engels

[Bildquellen: M. Belyaeva]