CyberKite – das automatisierte Drachensystem

Die Kräfte der Natur zu kontrollieren gilt seit jeher als Herausforderung des Menschen. Mit dem CyberKite stellt sich Festo im Rahmen des Bionic Learning Network dieser Aufgabe  und entwickelt zusammen mit der Firma aeroíx ein Drachensystem mit kybernetischer Steuereinheit. Den Wind als unberechenbaren Faktor in den Griff zu bekommen und einen steuerbaren Drachen mit Staudruckflügel permanent in der Luft zu halten, haben sich die Ingenieure zur Aufgabe gemacht. Festo und aeroix zeigen mit Cyberkite einen biomechatronischen Gesamtentwurf, der einen bis zu 24 qm großen Staudruckflügel autonom und energieautark steuern und regeln kann. Die Leistungsfähigkeit sowohl der elektrischen Antriebe wie auch die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems wird eindrucksvoll unter Beweis gestellt. 

Die intelligente Regelung des Drachenfluges erfolgt jeweils in Abhängigkeit von Windbedingungen und der eingesetzten Flügelgröße. Verschiedene Betriebsmodi und angepasste Flugbahnvorgaben gewährleisten den Betrieb über einen weiten Bereich von Windgeschwindigkeiten. Das macht den CyberKite zum Ausdauertalent in luftiger Höhe. Eine automatische Lastbegrenzung ermöglicht es, zusammen mit der robusten Flugregelung auch große Flügel sicher zu beherrschen.

Am Boden kontrolliert eine mechatronische Aktuatoreinheit von Festo den Flug des Drachen. Schwankende Windbedingungen machen dem hybriden Flügelsystem nichts aus. Der bionisch geformte Flügel stammt vom Projekt Stingray®, welches 1998 als Fluggerät von der prospective concepts AG für Festo realisiert wurde. Der hier weiterentwickelte Flügel verbindet großes Flügelvolumen zur Aufnahme aerostatischen Traggases mit einer guten Gleitzahl und bestmöglicher Eigenstabilität. Selbst bei Windstille behält der Flügel dank des Traggasauftriebs seine Position.  

Der Flügel kann trotz seiner flachen und eleganten Form auf zusätzliche, stabilisierende Leitwerke verzichten. Über die adaptive Waaganleinung wird durch ein räumliches Seilgetriebe eine Verstellung der Flügel realisiert. Der Flügel ist so in der Lage, mit ausgestreckten Flügelenden geradeaus zu fliegen und im Kurvenflug die Flügel so zu verkrümmen, dass sie ausreichend stabilisierende Lateralfläche bieten. 

Bei starkem und böigem Wind können durch die Fesselung des Flügels an den Boden schnell unerwünscht hohe Seilkräfte entstehen. Elektrische Antriebe und Sensorik von Festo reagieren auf die jeweilige Flugsituation und halten das System stabil. In der Anleinung des Flügels wurde hierfür ein passives adaptives Seilgetriebesystem entwickelt, das bei Bedarf die Kraftwirkung des Windes effektiv reduziert. Zur kontrollierten Auf- und Abwicklung der Leinen ist jeder Seilwinde eine Verlegeachse, bestehend aus einem elektrischen Linearantrieb, zugeordnet.

Auch die Reglungs- und Steuerungsphilosophie des CyberKite ist nicht auf starres Festhalten, sondern auf intelligente Nachgiebigkeit programmiert. Dabei wird die Kraft des Windes durch den energieeffizienten Einsatz der Antriebe sogar nutzbar gemacht. So wird aus den Servomotoren nicht nur die Bremsenergie aus den Steuerbewegungen zurückgespeist, sondern – ergänzt um modernste Batterietechnik – auch die überschüssige Windenergie von den nachgiebigen Halteseil-Antrieben für den Betrieb des Systems nutzbar gemacht werden. Die Servomotoren laufen dabei periodisch über von der Zugkraft des Drachens ausfahrende Seile im „Generatorbetrieb“, die hierbei gewonnene elektrische Energie wird in den Batterien gespeichert und reduziert den Energiebedarf des Systems erheblich. Zukünftige CyberKite-Systeme lassen sich bei entsprechenden Windverhältnissen dank der Kraft des Windes energetisch autark betreiben.

Die Motivation…

… für die gemeinsame Entwicklung des CyberKites liegt in der Herausforderung, einen Technologieträger mit Automatisierungstechnik von heute zu realisieren, der hochkomplexe Regelungsaufgaben sicher steuert. Bestes Anwendungsfeld ist die Natur, da sie mit ihren Unwägbarkeiten sehr hohe Ansprüche an eine automatisierte Kontrolle stellt. Wind - rein mathematisch eine Vielzahl von Parameterfeldern mit stochastischen Veränderungen – ist eine Naturgewalt, die exakt diesen Voraussetzungen entspricht. Festo hat es sich mit aeroíx zur Aufgabe gemacht, ein Drachensystem zu entwickeln, das den Verbleib in der Luft garantiert – egal, woher der Wind weht. Gerade im Hinblick auf zukünftige Mensch-Technik-Kooperationen dient der CyberKite als ein Paradebeispiel dafür, wie der Maschinenbau mit Querschnittstechnologien wie Mechatronik und Energieeffizienz Lösungen für komplexe Probleme liefern kann.

Links:

CyberKite auf der Seite des Bionik Learning Network von Festo

CyberKite - Projekt auf dem "Kite energy and high altitude wind energy blog"