Conventionele wijsheid leert dat vliegen, varen en rijden doorgaans makkelijker is met gespecialiseerde voertuigen. Auto’s die kunnen varen of vliegen houden de gemoederen al decennia bezig. Grootschalige commerciële of militaire toepassingen blijven schaars. Maar geldt dat ook voor drones? Je Amazon pakketjes drone zal het waarschijnlijk niet alle drie hoeven kunnen. Toch ligt dat voor specialistische toepassingen volgens onderzoekers anders.
Rollend, vliegend en drijvend klimaatonderzoek doen
We hebben het dus over een UAV (unmanned aerial vehicle) die zich in die drie omgevingen kan voortbewegen. Een team van onderzoekers verbonden aan het Arabian Center for Climate and Environmental Sciences (ACCESS) van de New York University Abu Dhabi heeft zo’n drone ontwikkeld. Het doel van deze drone is het verzamelen van watermonsters in afgelegen locaties.
Voor milieuonderzoek heb je nogal wat monsters nodig. Hoog in bergen, of in gebieden waar nagenoeg geen mens ooit komt, het brengt logischerwijs de nodige uitdagingen met zich mee. Volgens doctorale kandidaat Dimitrios Chaikalis biedt deze drone de uitkomst. “Vliegende voertuigen kunnen makkelijk naar dergelijke gebieden toe navigeren. Al drijvend op water kan je het beste de nodige monsters nemen met minimale energieconsumptie, alvorens weer terug te vliegen naar de basis.”
Piepschuim, een computer en wielen uit de 3D printer
Maar om een drone te maken die dat alles kan was zo makkelijk nog niet. Het uiteindelijke model heeft drie paar rotors om te kunnen vliegen en twee schroeven voor in het water. Om zich over land voor te kunnen bewegen beschikt de drone over rubberen ge-3D-printe wielen. Deze zijn direct om het wiel frame heen geprint zodat er geen schroeven of lagers nodig zijn. Deze onderdelen kunnen namelijk makkelijk gaan roesten gedurende al die tijd die de drone in het water door moet gaan brengen. Het hele apparaat weegt minder dan 10 kilo, want dat moet volgens de geldende regulaties.
Om te kunnen blijven drijven heeft de drone een behuizing van piepschuim. De behuizing heeft de vorm van een driepas zodat de rotors de benodigde luchtstromen kunnen genereren. “Het resultaat is een voertuig dat in staat is om zich door elk beschikbaar medium te verplaatsen, lucht, water, over de grond. Dat betekent dat we straks autonome voertuigen kunnen gaan inzetten die in staat zijn om steeds grotere moeilijkheden en obstakels te overkomen.”
Niet één, maar twee automatische piloten
Maar je door de lucht bewegen is heel iets anders dan over het aardoppervlak. Daarom heeft de drone twee open source PX4 automatische piloten. Eentje dus voor het vliegen, en de ander voor het voortbewegen over de grond en het wateroppervlak. Een computer van Intel stuurt het geheel aan. Deze kan waar nodig zelf schakelen tussen de twee systemen. Ook de radio, ontvanger en GPS werken via deze computer. Alle elektronica is waterdicht gemaakt door middel van plastic behuizing.
Dat laatste is essentieel, zeker voor de motoren die de wielen aansturen. Want deze staan wanneer de drone drijft volledig onder water. Het integreren van de waterdichte motoren ging de commercieel beschikbare autopiloten te boven. Dus moest het team zelf hardware en firmware ontwikkelen voor deze toepassing. Toch liegt het resultaat er niet om. De drone kan radiogestuurd of autonoom op een voorgeprogrammeerd pad 18 minuten lang vliegen.
De laatste horde
Dat het prototype nog niet perfect werkt, kwam aan het licht tijdens een serie experimenten. Het piepschuim romp helpt de drone zeker met drijven, maar deze neemt ook langzaam water op. Na dertig minuten in het water woog de romp 20% meer. Tijdens de vlucht naar huis kwam dat water er wel langzaam uit, maar ideaal is het niet. Na 100 minuten was 20% van het nieuwe totaalgewicht weer foetsie.
Een oplossing voor dit probleem is er nog niet. De gewichtstoename is dermate significant dat er rekening mee gehouden moet worden bij het ontwerpen van de automatische piloot. Dan zouden de onderzoekers het verlies in bereik dat het extra gewicht met zich mee brengt voor lief kunnen nemen. Een andere optie is het coaten van de romp in waterafstotend materiaal, maar dat schroeft het gewicht ook op, en dan wel permanent.
Dat de romp naar behoren blijft functioneren is essentieel. Het ontwerp is indrukwekkend, maar kan alleen onvrijwillig als onderzeeër in worden gezet. De drone is alleen beschermd tegen spatten en “light submersion”, oftewel op het wateroppervlak dobberen. Bij volgende versies van de drone wordt dus voornamelijk gesleuteld aan de romp. Wellicht worden volgende iteraties modular, zegt Chaikalis. Het patent moet nog worden goedgekeurd, maar de bevindingen van het onderzoek zijn inmiddels gepubliceerd.
