Delfly scoort bij wedstrijd microvliegtuigjes

MAV’s heten ze, de kleine verkenningsvliegtuigjes die vorige week in het Beierse Garmisch-Partenkirchen de strijd met elkaar aangingen. MAV staat voor Micro Aerial Vehicle en ze worden niet alleen voor de lol maar ook voor het nut ontwikkeld. Het idee is dat de kleine vliegmachines ingezet kunnen worden voor observatie en inspectie van uiteenlopende onderwerpen zoals publiek in voetbalstadions, technische installaties, militaire objecten en zelfs buitenaardse omgevingen zoals de atmosfeer van Mars. De wedstrijd in Duitsland, de 1^st US-European Micro-Aerial Vehicle Technology Demonstration and Assessment, viel samen met een conferentie over MAV’s waar wetenschappers en technologen van universiteiten, luchtvaartlaboratoria en militaire instituten aan deelnamen.

De Delftse studenten waren niet naar Duitsland gegaan om de MAV-wedstrijd te winnen, vertelt teamlid Stefan Jongerius. ‘Dat zou ons nooit gelukt zijn omdat we met Delfly alleen onder zeer windstille condities in de buitenlucht kunnen vliegen. Maar binnen, in een sporthal in Delft, hadden we echt hele goede resultaten behaald. Dat wilden we graag in Duitsland demonstreren. Het is fantastisch dat we daar nu een prijs voor hebben gekregen.’

Werkelijk autonoom

De aan de wedstrijd deelnemende vliegtuigjes moesten zelfstandig een parcours af kunnen leggen, door een raam vliegen en een object kunnen herkennen. Delfly voerde die opdracht met vlag en wimpel uit en onderscheidde zich daarbij door de bijzondere, flapperende vliegbeweging, het extreem lage gewicht (17 gram) en een vérgaande autonomie zowel in vliegbeweging als objectherkenning. Volgens Jongerius was de Delfly in feite de enige écht autonome MAV omdat de andere deelnemers gebruik maakten van voorgeprogrammeerde vliegroutes en GPS-navigatie. Delfly is met behulp van computervisie in staat volledig zelfstandig te navigeren. Ook bij de herkenning van het object, in dit geval een door een nep’terrorist’ rondgedragen rode koffer, had het robotvliegtuigje geen enkele hulp nodig. Andere teams moesten soms handmatig het ‘doel’ markeren op een videoscherm met het beeld geregistreerd door de camera aan boord van hun vliegtuigje.

De meeste vliegmachientjes in de Duitse competetie waren co-axiale helikopters (twee rotoren op één as), of een soort ‘vliegende schijven’. Om die te realiseren bij een maximaal gewicht van 150 gram moesten alle teams indrukwekkende technologische prestaties leveren. Dat Delfly met slechts 17 gram (iets meer dan drie velletjes gewoon A4 papier) toekon, baarde dan ook het nodige opzien. Ook de insectachtige fladderende vliegbeweging genereerde de nodige belangstelling. ‘Naar onze demonstratie in een Duitse sporthal kwamen 120 mensen kijken; dat was het dubbele van wat we verwacht hadden’, aldus een trotse Stefan Jongerius.

De keuze voor de vliegbeweging met flapperende vleugels was ingegeven door de hiermee te realiseren lage vliegsnelheid. Het Delftse team liet zich adviseren door Wageningen Universiteit en haalde uiteindelijk een snelheid van 1,8 m/s; laag genoeg om de camerabeelden optimaal te kunnen benutten voor navigatie en objectherkenning. Dat gebeurt met zogenaamde vision-based awareness waarbij de observaties van de camera worden gerelateerd aan een database zodat het vliegtuigje objecten kan herkennen en hierop kan reageren.

Aerodynamica gecompliceerd

De prestatie van het Delftse team is nog eens extra opmerkelijk omdat ze werd geleverd door studenten halverwege hun studie. DelFly is het winnende ontwerp van het Symposium voor Bachelor-eindopdrachten aan de faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek van de Technische Universiteit Delft.

Omdat de aerodynamica van flapperende vleugels enorm gecompliceerd is koos het team voor een versimpeld quasi-constant model gebaseerd op een aantal aannames over de liftverdeling op de vleugels. Deze analyse resulteerde in een nauwkeurige berekening van die liftverdeling, die vervolgens gebruikt werd als input voor de structurele berekeningen aan de vleugels.

De romp en de basisconstructie (met stuurvlakken voor de dwars- en langsbesturing en een elegante omgekeerde V-staart) werden geoptimaliseerd op basis van de aerodynamische belasting en krachten die optreden tijdens bijvoorbeeld de landing en het transport. Verder is er een analyse uitgevoerd naar het dynamische gedrag van de constructie. Het was met name van belang om te vermijden dat de eigenfrequenties van de constructie zouden overlappen met de frequentie van de flapperende vleugels.

Navigatie met behulp van computervisie was de volgende uitdaging in het ontwerptraject. Algoritmes verantwoordelijk voor objectherkenning en het voorkomen van botsingen vormen de ruggengraat van het vision-based awarenesssysteem dat gebruik maakt van een zogenaamde proportionele controller en een Kalman filter. De proportionele controller optimaliseert de baan van het voertuig gebaseerd op de verwerkte beelden van de camera. Het Kalman filter voert een toestandsschatting uit op de data uit de controller, waardoor het systeem stabieler wordt.

Delfly gaat door

De belangstelling voor Delfly is groot. Stork Fokker topman Kees de Koning nodigde het team al uit voor een demonstratie tijdens een conferentie later dit jaar. Duidelijk is dan ook dat Delfly een veel langer leven beschoren zal zijn dan de afgelopen maanden van het Delftse Bachelorsymposium en de MAV wedstrijd. “We gaan hier absoluut mee door” zegt een enthousiaste Stefan Jongerius, “alleen moeten we binnenkort eens goed gaan nadenken op welke manier en met welke mensen. Misschien dat een aantal van ons er een afstudeeropdracht aan kan wijden.” Of Delfly bij de volgende editie van de MAV-wedstrijd wéér van de partij zal zijn kan Jongerius niet zeggen. “Ik hoop van wel; we gaan zeker proberen zover te komen. Maar nu gaan we eerst maar eens een weekje bijkomen en uitrusten”.

Klik hier voor een PDF bestand met algemene informatie over Delfly

Klik hier voor een PDF bestand met technische informatie over Delfly