SmartCargoDrone — Entwicklung einer autonom operierenden Multikopter-Frachtdrohne

Zivil genutzte Drohnen haben sich in Bereichen wie Vermessung, Kartierung und Inspektion etabliert, kommen dabei aber überwiegend in einer passiven Rolle des „Entdeckens und Abbildens“ zum Einsatz, mit Transporten auf leichte Lasten unter 6,5 kg beschränkt. Heutige UAV-Systeme navigieren primär über GPS, IMU und Kompass, die in der Nähe von Hochspannungsanlagen durch elektromagnetische Felder gestört werden. Flug- und Missionssteuerung agieren in bestehenden Architekturen als getrennte Ebenen ohne automatische Interaktion, ein modellbasiertes Energiemanagement fehlt vollständig, und die verfügbaren Trajektorienplanungsalgorithmen sind auf zweidimensionale, bodengebundene Navigation ausgelegt und nicht auf den 3D-Flugbetrieb übertragbar.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer autonom agierenden Multicopter-Lastendrohne, die Pakete eigenständig zu einem geografischen Zielpunkt transportiert, dabei Pendelbewegungen der hängenden Last aktiv dämpft und die gesamte Mission ohne menschliches Eingreifen durchführt. Das Konsortium aus vier Partnern deckt vier Kernbereiche ab. Die Professur Technische Informatik der TU Chemnitz entwickelt eine adaptive Plattform mit mehreren Steuerungsebenen, die eine automatische Interaktion zwischen Flug- und Missionssteuerung ermöglicht und Sensordaten aus LiDAR und Kamera sowie gesetzliche Flugvorgaben on-board in Echtzeit verarbeitet. FDTech erweitert bestehende KI-Module zur Fahrzeugtrajektorienplanung auf den vollständigen 3D-Raum und trainiert das Modell unter Optimierungskriterien wie Energieminimierung, Zeitoptimierung und Einhaltung von Sicherheitsabständen. Additive Drives fertigt Motorspulen aus Kupfer und Aluminium mittels 3D-Druckverfahren und erzielt damit eine Steigerung des Nutfüllfaktors um bis zu 30 % sowie eine Leistungsdichte von 15 kW/kg. Die Professur Produktionssysteme und -prozesse implementiert ein modellbasiertes Energiemanagementsystem mit Echtzeit-Verbrauchsvorhersage und einer Restreichweitenabschätzung mit 95 % Genauigkeit.

Die größte technische Hürde liegt in der Echtzeit-Entscheidungsfindung on-board: Bei Fluggeschwindigkeiten von bis zu 130 km/h müssen sichere Missionsentscheidungen in Millisekunden getroffen werden, wobei gleichzeitig feste Hindernisse, bewegliche Objekte und die aktuelle Flugbahnrichtung berücksichtigt werden müssen — und das auf kompakter, gewichtsoptimierter Embedded-Hardware, da schwere Prozessoren für den Drohneneinsatz nicht in Frage kommen. Die Dämpfung von Pendelbewegungen der Nutzlast stellt eine weitere Herausforderung dar, da die Trägheitsmomente des Transportgutes direkt auf die Flugeigenschaften wirken und in Echtzeit kompensiert werden müssen. Auf der Antriebsseite ist die additive Fertigung von Wicklungen in den kleinen Dimensionen von Drohnenmotoren inklusive einer geeigneten Isolationsstrategie fertigungstechnisch neu. Das Projekt ist bewusst auf TRL 5 beschränkt — Ziel ist der Nachweis der Machbarkeit im Versuchsaufbau, keine Serienreife.

Projektpartner

Das Verbundprojekt wird von vier Partnern getragen, die die Bereiche Autonomie, Flugsteuerung, Antriebstechnik und Energiemanagement gemeinsam abdecken. Konsortialführer ist die FDTech GmbH.

1. FDTech GmbH
   Ansprechpartner: Dr. Anke Stoll
   Teilthema: Autonome Missionssteuerung, Trajektorienplanung im 3D-Raum
2. Additive | Drives GmbH
   Ansprechpartner: Philipp Arnold
   Teilthema: Entwicklung eines hochperformanten Drohnenmotors
3. TU Chemnitz — Professur Produktionssysteme und -prozesse (PSP)
   Ansprechpartner: Dr.-Ing. Holger Schlegel
   Teilthema: Steuerungs- und Regelungstechnik sowie Energiemanagementsystem inkl. Flugeigenschafts- und Energieverbrauchssimulation
4. TU Chemnitz — Professur Technische Informatik (TI)
   Ansprechpartner: Prof. Dr. Dr. h.c. Wolfram Hardt, Dr. Ariane Heller
   Teilthema: Automatische Interaktion von Flug- und Missionssteuerung

Das Vorhaben wird durch die Sächsische Aufbaubank – Förderbank – (SAB) im Rahmen der FuE-Verbundprojektförderung 2021–2027 gefördert, kofinanziert aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und aus Steuermitteln des Freistaates Sachsen.

Publikationen

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