"Der Windshaper war ein unschätzbares Werkzeug in unserer Forschung, um die Interaktionen zwischen Strömung und Drohnen unter windigen und böigen Bedingungen besser zu verstehen!"
Das Intelligent Robot Motion Lab der Princeton University erwarb 2022 einen 6x3 Windshaper. Seitdem arbeitet das Forschungsteam intensiv daran, eine Methode zu entwickeln, mit der Drohnen das Verhalten von Partikeln in Windströmungen simulieren können.
Hier ist, was Doktorandin Nate Simon über ihre Arbeit mit dem Windshaper zu sagen hatte:
Das Intelligent Robot Motion Lab (IRoM Lab) der Princeton University möchte Robotern ermöglichen, sicher und zuverlässig auf reale Bedingungen zu generalisieren. Für Drohnen und Flugroboter bedeutet dies, robust gegenüber starkem Wind und Böen zu sein.
Wir haben zuvor an einem neuartigen omnidirektionalen Strömungssensor und einer auf Verstärkungslernen basierenden, windbewussten Steuerung in Böen gearbeitet. Für diese Arbeiten bestand unser Mechanismus zur Erzeugung von Innenraum-Böen aus 6 Gebläseventilatoren – die eine starke Böe erzeugten, aber nicht viel Kontrolle über die Art der Böe (im Raum oder in der Zeit) boten.
Wir brauchten einen Windshaper! Wir haben mit Tyto Robotics zusammengearbeitet, um unseren 3x6-Modul-Windshaper zu bestellen und im Dezember 2022 zu erhalten.
Seitdem ist unser 60 x 25 Fuß großer Motion-Capture-Raum deutlich windiger geworden! In Zusammenarbeit mit der Fundamental and Applied Studies in Turbulence (FAST) Gruppe haben wir unser Windshaper-Strömungsfeld mithilfe von Ultraschallanemometern charakterisiert:
Diese großflächigen räumlichen Anemometriedaten von Hand zu sammeln, war mühsam, daher haben wir FlowBot entwickelt: ein mobiles, autonomes Ultraschallanemometer, das in der Lage ist, das gesamte Strömungsfeld abzubilden!
Da der FlowBot stationär ist, sind die Messungen „Eulerian“ der Natur. Wir würden jedoch sehr gerne die Strömungsmechanismen aus einer „Lagrangian“-Perspektive verstehen (d. h. ein Partikel, das sich mit der Strömung bewegt). Dazu haben unsere Kooperationspartner von FAST eine Lagrangian- Geschwindigkeitsmessmethode erfunden, die winzige, neutral schwimmende, mit Helium gefüllte Seifenblasen verfolgt. Die Blasen werden mithilfe mehrerer DSLR-Kameras und einer computergestützten Bildverarbeitung präzise im 3D-Raum verfolgt.
Mit diesen Blasen können wir sehen, wie sich Partikel natürlich in der Luftströmung bewegen. Was wäre, wenn wir eine Drohne dazu bringen könnten, dasselbe zu tun – sich frei wie ein Lagrangian-Partikel zu bewegen? Dieses Projekt wurde als „LaDrone“ (Lagrangian Drone) bekannt und wurde auf der Startseite von APS News vorgestellt!
Mit dem Windshaper und der Blasenverfolgung konnten wir präzise charakterisieren, wie LaDrone auf Windböen reagiert!
Wir haben LaDrone erweitert, um die Effekte der Böenstörung aktiv zu erfassen und zu verstärken, in der Hoffnung, sich mehr wie ein Partikel zu bewegen. Was wir herausgefunden haben, war erstaunlich: Über jeden Versuch hinweg ist der „böenenzustimmende Controller“ (grün) in der Lage, die Blasengeschwindigkeit (blau) viel genauer zu verfolgen als böenignorierende (rot) oder böenabweisende (lila) Controller.
In zukünftiger Arbeit planen wir zu untersuchen, wie schnelles Tracking genutzt werden kann, um mit der turbulenten Strömung zu resonieren und Energie daraus zu gewinnen, was einen effizienteren Flug ermöglicht.
Der Windshaper war ein unschätzbares Werkzeug in unserer Forschung, um die Interaktionen zwischen Strömung und Drohnen unter windigen und böigen Bedingungen besser zu verstehen!
Nate Simon, Doktorandin (Abschlussjahrgang 2025)
Intelligent Robot Motion Lab
Department of Mechanical & Aerospace Engineering
Princeton University
