Adrian Wiepcke

interdisziplinäres Hauptprojekt

Investitionsgüterdesign

im 4. Semester (2021), Hochschule Magdeburg Stendal.

Ballondrohne SKYE

Mit SKYE lassen sich großflächige Areale überwachen. Konzepiert für Waldrände, kann diese Ballondrohne autonom oder ferngesteuert Routen abfliegen und Ereignisse melden.

Dabei lässt sie sich wie ein Quadrokopter fliegen, jedoch mit dem Vorteil, nur wenig bis gar keine Energie für den Auftrieb zu benötigen. Der heliumbefüllte Auftriebskörper sorgt für die Möglichkeit, auf unterschiedlichen Höhen zu schweben.

Fähigkeiten

SKYE ist in der Lage, Brandherde und Objekte mit Wärmesignaturen zu erkennen. Dazu kommt die Thermalkamera mit elektronischem Gimbal zum Einsatz.

An diesem Kamerasystem befindet sich auch eine 20-MP-Zoomkamera mit bis zu 200-facher Vergrößerung. Damit sind aus großen Höhen auch kleinere Bereiche mit Menschen oder Tieren noch sichtbar. Dieser "Google Earth Blick" ermöglicht das Überwachen von größeren Arealen wie z.B. Wäldern.

Dank redundanter Rotoren und Akkus kann die Drohne sicher und lange eingesetzt werden.

Glühbirne

Die Form von SKYE ist kein Zufall. Sie soll Aufmerksamkeit auf sich ziehen. In Notfallgebieten ist sie auch durch Rauch oder Nebel noch erkennbar. Betroffene wissen so, wohin sie winken oder mit Licht leuchten müssen, um auf sich aufmerksam zu machen.

Zum Leuchten befinden im Inneren des Ballons mehrere LED-Streifen entlang des Ballongestells. Die Hülle ist transluzent und strahlt das Licht der LED diffus ab.

Arbeitsweise

Nachdem die Ballondrohne mit Helium befüllt und Akkus bestückt ist, kalibireren sich die Sensoren und Motoren. Nun hebt sie ab und beginnt ihren Routineflug auf 100 bis 200 Metern über dem Boden.

Ab jetzt wird nach Unregelmäßigkeiten wie Brandherden oder Rauchentwicklungen Ausschau gehalten und Rückmeldung gegeben. Ist die Batteriekapazität zu niedrig, wird eine Wartungslandung zum Tauschen des Akkus und Nachfüllen des Heliums vorgenommen.

An dieser Stelle beginnt der Routineflug wieder bis die endgültige Landung ansteht.

Technik

Neben dem Herzstück, dem Kamerasystem Zemuse H20 T, kommen auch die Motoren ANTIGRAVITY 4006 und Rotoren Matrice M300 von DJI. Diese werden an beiden Seiten jeweils doppelt verbaut. Das ist zum Einen notwendig, um dem Luftwiederstand der großen Ballonfläche zu trotzen, aber auch um den Ausfall eines Rotors kompensieren zu können.

Der Rotorkopf ist 180° drehbar. So ist sowohl Vor- als auch Auftrieb möglich. Auch Abtrieb kann mit heruntergedrehten Rotoren erzeugt werden.

Zur Kommunikation kommen zwei, im Gehäuse verbaute, LTE-Antennen zum Einsatz. Die gegenüberliegenden Spiralen bieten eine Reichweite von mindestens 7 km bis zum nächsten Funkmast. Über LTE kann die Drohne mit wenigen Sekunden Latenz gesteuert werden und Informationen liefern. So kann die Drohne aus sicherer Entfernung, zum Beispiel aus einem Büro, kontrolliert werden.

Aufbau

SKYE besteht aus dem Ballongestell, an welchem Motoren und Lichter befestigt sind, und dem Gehäuse bzw. Unterbau. Das Gehäuse besteht aus zwei miteinander verschraubten und tiefgezogenen Verbundstoffkörpern. Dazwischen befinden sich Steuerungstechnik, Antennen, Stauraum für Akkus und Heliumsysteme.

Am unteren Rand des Gehäuses ist ein kreisförmiger Greifring eingelassen, mit dem die Ballondrohne aus der Luft gegriffen und herangezogen werden kann.

Daten

Maße

Höhe 4,8m

Breite 2,9m

Einsatzflughöhe 100m bis 200m über dem Boden

Material

Ballonhülle synthetischer Kautschuk

Gehäuse GFK

Innengestell Carbonfaser

Rotoren Carbonfaser

Technische Daten

Verbindung LTE (ab 800 MHz)

WIFI (2,4 GHz)

Flugzeit 4h bis 7h (je nach Wetter und Manöver)

Geschwindigkeit bis zu 6 m/s

Gewicht 54 kg

Leistung Bis zu 380W pro Motor

Batterie 12V 500Ah LiFePO4 Akkus, redundant

Elektronik

Motoren

Positionslichter (nach Gesetzesnorm)

Kupferleitungen

LTE Antennen (zweifach)

Innenbeleuchtung (sieben LED-Streifen)

Ultraschallsensoren

Redundate Akkumolatoren

Steuerungseinheit (Systemcomputer)

Transformationseinheit (Spannungswandler)

Sensorik

Thermometer

Barometer für Außenluft

Barometer für Heliumdruck

Luftfeuchtesensor

Kamerasystem mit Telekamera, Weitwinkelkamera und Wärmebildkamera

Anemometer (Optional)

Rauchmelder

CO² Sensor

NO Sensor

Kollisionssnsorik

Die Projektarbeit

Das erste interdisziplinäre Hauptprojekt startete im Sommersemester 2021 unter dem Name "Ballon". Beteiligt an der Gruppe "Ballondrohne für Waldbrandüerwachung" waren Studenten aus dem Studiengängen B.A. Industrial design (ID) und B.S. Mensch-Technik-Interaktion (MTI). Die Professoren kommen aus den Bereichen Idustrie Design, Elektrotechik und Maschinenbau.

Prof. Jan Bäse Adrian Wiepcke (ID)

Prof. Dieter Scharzenau Jan Bujanov (ID)

Prof. John-Glen Swanson Katharina Leuteritz (MTI)

Prof. Christian-Toralf Weber Weiyi Li (MTI)

Konzeption

Nachdem die Recherche ein gemeinsames Produktkonzept ergeben hatte, begannen die formellen Entwürfe auf aerodynamische Anforderungen hin zu entstehen.

Es zeigte sich schnell, dass konventionelle Ballonformen in Hinsicht auf Stabilität, Aerodynamik und Energieverteilung zurecht etabliert sind. Dieses Package sollte beibehalten werden.