Spion in een rugzak

“Check telemetry, check altitude estimation, check waypoint…” Op een grasveldje bij het militaire oefenterrein Fort Stewart in de Amerikaanse staat Georgia is even niets anders te horen dan een blikkerig robotstemmetje uit een computer. L&R-student Dieter Castelein lacht. “Het gekke stemmetje is spielerei”, zegt hij. De checklist zelf is dat echter allerminst: zie iets over het hoofd en het vliegtuigje Atmov (autonomous transition multi-rotor observation vehicle) crasht.

Atmov is het laatste technische hoogstandje uit het MAV-lab, het micro aerial vehicle lab, dat gehuisvest is bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. PhD’s en studenten sleutelen daar aan toestellen die autonoom vliegen, obstakels herkennen en vermijden en beelden maken van de omgeving.

Op het filmpje dat Castelein toont, is te zien hoe alles minutieus wordt gecontroleerd. De Atmov stijgt recht omhoog op met zijn vleugel verticaal. Op enkele meters hoogte draait hij negentig graden voorover en schiet horizontaal weg. Dit gebeurt vrijwel geruisloos, als een libel.

Het toestel moet drie kilometer over een bos vliegen en landen in een nepdorpje waar militairen Afghaanse taferelen nabootsen. Voor het kerkje, net voorbij het hotel en het voetbalstadion, moet hij drie uur lang observeren – video-opnames maken – en vervolgens weer terugvliegen.

Dat is de opdracht die negen Delftse L&R-bachelorstudenten meekregen van Darpa (het onderzoeksinstituut van het Amerikaanse leger), en met hen nog negen andere teams. Twee weken de tijd hadden ze afgelopen mei om te bewijzen dat ze het ultieme spionagevliegtuigje hebben ontwikkeld. Een toestel dat bovendien in een rugzak past.

De meeste apparaten die meedoen zijn van het type quadcopter, een toestel met vier motoren dat recht omhoog kan opstijgen. Zo ook de Atmov. Maar waar de andere quadcopters alleen hoveren en in die vliegmodus langzaam naar hun eindbestemming gaan, doet de Atmov iets bijzonders; hij hovert eerst een stukje omhoog en vliegt dan als een vliegtuig verder.

“Op deze manier vliegen we veel efficiënter en sneller”, vertelt Casteleins collega Sander Hulsman. “De andere toestellen gaan met twintig kilometer per uur naar het dorp. Wij vliegen zeventig kilometer per uur en kunnen het veel langer volhouden in de lucht.”

Verheugd kijken de studenten toe hoe het toestel uit het zicht verdwijnt. Het is hun derde poging. Het toestel lijkt goed geprogrammeerd: het vliegt helemaal autonoom naar het dorp. “Still flying”, “doing good” klinkt het zo nu en dan door een walkietalkie waarmee contact wordt gehouden met de mensen in de volgauto.

Bij het kerkje stort de Atmov neer. De motoren raakten oververhit, denken de studenten. Het toestel ligt in duigen, maar het Delftse team heeft vier toestellen bij zich en heel veel duct-tape. De studenten zijn al lang blij. Geen enkel ander team is er tot dan toe überhaupt in geslaagd het dorp autonoom te bereiken.

Sommigen deelnemers halen amper het bos, zoals het team uit Singapore met zijn toestel met twee parallelle rotors die tegen elkaar indraaien. “De vliegende grasmaaier noemden we dat”, lacht Hulsman.

“Dat apparaat was knap gemaakt, maar heel eng”, vervolgt Hulsman. “Iedereen deed een stap opzij toen hij de lucht in ging. Hij woog wel vijf kilo en maakte herrie als een echt vliegtuig. Met zweetdruppeltjes op zijn voorhoofd probeerde de piloot hem onder controle te houden. Maar hij stortte vrijwel meteen neer doordat de rotors niet goed waren afgesteld en tegen elkaar aan kwamen.”

De grootste uitdaging voor de meeste teams is de communicatie met het toestel. Zelfs voor veel van de autonoom vliegende toestellen (of beter gezegd semi-autonome toestellen) is contact met het grondstation cruciaal omdat de vluchtberekeningen worden gedaan door een computer op de grond. Maar door alle bomen die in de weg staan verliezen de meeste deelnemers het contact. Het ene na het andere toestel crasht.

Atmov vliegt wel geheel autonoom en heeft dus geen last van de bomen. Wat de Delftenaren vooral parten speelt is de kalibratie van de motoren.

De laatste dag crasht het toestel weer in het dorp. Een andere Atmov die de studenten – een beetje als grap – tegelijk de lucht in sturen, verdwijnt in een meer en wordt er door een visser uitgehaald. Ruzie met een gier, is de enige verklaring voor die crash die de jongens kunnen bedenken.

De Delftenaren eindigen als gedeelde derde. De winnaar is een team van de Middlesex University met een toestel met zes rotorbladen.

Ir. Bart Remes, projectleider van het Mav-lab, heeft hoge verwachtingen van de Atmov, vooral als het gaat om projecten in de buitenlucht.

Het bekendste toestel van het lab is het klapwiekende vliegtuigje Delfly. Het werk aan Delfly begon in 2005. Door de jaren heen is hij zo ver geminiaturiseerd dat hij nu in een luciferdoos past. Hij kan door een klein gaatje vliegen en zo op plekken komen waar niets of niemand anders komt. Handig, bijvoorbeeld om naar slachtoffers te zoeken in ingestorte gebouwen.

Maar in de buitenlucht is Delfly niet in zijn element. Hij kan niet goed tegen wind. Een toestel als Atmov biedt dan meer perspectief. Remes hoopt de nieuwe vliegtechniek van dit toestel op termijn bij veel van zijn projecten te gebruiken.

“Atmov is de toekomst. Je kunt die toestellen ergens bij een laadstation stationeren en ze met een druk op een knop als een zwerm laten opstijgen om verkenningsvluchten uit te laten voeren. De vliegtuigen waar we nu mee experimenteren voor zwermvluchten moeten we nog elk afzonderlijk met een elastiek in de lucht katapulteren.”

Een van de lopende ‘zwermprojecten’ waar Remes aan refereert, is het project Fireswarm. Het idee hierachter is dat een groep toestellen voorzien van warmtesensoren op zoek gaat naar beginnende heidebranden. Remes: “De vliegtuigen kennen elkaars positie en spreken met elkaar af wie welke kant op gaat om iets nader te onderzoeken. Eerste tests zijn onlangs uitgevoerd met de brandweer van Woensdrecht.”

Volgens hetzelfde principe wil Remes een zwerm autonome vliegtuigen inzetten om schepen in de gaten te houden in de buurt van havens. Het spotten van illegale olielozingen is een van de belangrijke doelen van dit zogenaamde 3I-project (een acroniem voor Integrated Coastal Zone Management via Increased situational awareness through Innovations on Unmanned Aircraft Systems).

Aan dit Europese onderzoeksproject, waar Remes en zijn collega dr.ir. Erik-Jan van Kampen penvoerder van zijn, doen behalve de TU onder meer de Franse, Engelse en Nederlandse havenautoriteiten en de universiteiten van Southampton en Brest mee. Eerder dit jaar kreeg het consortium 1,85 miljoen euro van de EU.

Atmov krijgt dus veel toepassingsmogelijkheden. Maar vooralsnog kampt hij met kinderziektes. En dat is niet verwonderlijk. De studenten bedachten Atmov pas begin dit jaar en werkten het concept uit in het kader van de zogenaamde L&R ontwerpsynthese-oefening. In tien weken tijd moeten de studenten bij deze oefening bewijzen dat zij in staat zijn om in teamverband hun kennis samen te brengen in een ontwerp. Ook de Delfly is ontstaan uit zo’n studentenproject.

Het knappe van Atmov is dat hij eenmaal in de lucht volautomatisch negentig graden draait, een nauwgezette manoeuvre waarbij geleidelijk van hoverbesturing naar horizontale vliegbesturing wordt omgeschakeld. Bij hoverbesturing wordt een andere set propellers aangesproken dan bij de horizontale vlucht.

Castelein: “Er zijn meer toestellen die tegelijk kunnen hoveren en horizontaal vliegen. Maar die doen dat veel minder efficiënt. Bij hen zijn het namelijk de motoren die negentig graden draaien. Dat is niet zo handig, want voor hoveren heb je een ander type propeller nodig dan voor horizontale vlucht aangezien de stroomsnelheid van de lucht in beide gevallen erg verschilt.”

Om het toestel zelf de overgang van het ene naar het andere besturingsprogramma te kunnen laten maken, moesten de studenten een geheel nieuwe automatische piloot ontwikkelen.

De standaard wiskundige methode achter autopilots maakt gebruik van zogenaamde Euler-hoeken. Hulsman: “Maakt je vliegtuig verdraaiingen tot negentig graden ten opzichte van de beginpositie, dan gaat het nog wel goed met Euler-hoeken. Maar bij negentig graden beland je in het zogenaamde singularity point.”

In het singularity point zijn de assen niet meer goed gedefinieerd. Voorwaartse vlucht en achterwaartse vlucht worden daar op dezelfde manier geschreven. Castelein: “Beland je op dat punt, dan wordt je vliegtuig helemaal gek.”

De studenten moesten een andere wiskunde gaan gebruiken: de quaternions. “Hiermee kun je probleemloos 360 graden rond”, zegt Castelein. “Maar quaternions zijn nog nooit eerder in de open source autopilot paparazzi (het type autopilot waar het MAV-lab mee werkt, red.) verwerkt. Wij moesten alles herschrijven.”

Remes wil de komende jaren de kennis die is opgedaan met andere toestellen gebruiken om Atmov te verbeteren. Remes heeft er een subsidieaanvraag voor ingediend bij STW. Het project moet uitgroeien, zoals dat zeven jaar geleden ook bij Delfly is gebeurd. Aan Delfly werken nu vijf promovendi en een dozijn studenten.

Aan wat voor verbeteringen moet je dan zoal denken? Het verder miniaturiseren van de elektronica, bijvoorbeeld. Ter illustratie toont Remes de IMU (inertial measurement unit) van de Delfly, het systeem dat snelheid, oriëntatie en gravitatiekrachten bijhoudt. Het is amper een centimeter groot.

De studenten zelf willen vooral verbeteringen zien in aerodynamisch design, landingsgestel, lichtere composiet constructie, en de autopilot software. En wie weet kan Atmov van Delfly leren hoe hij moet reageren als hij een obstakel tegenkomt, zoals een gier.