weet ik nog niet

1. De titel van dit artikel WETENSCHAP & O N D E R ZO E K 25
Flappend miniatuur-
vliegtuig kijkt zelf
waar het vliegt
© COREL Corporation
In tien weken ontwierp een team van elf zeer gemotiveerde studenten een uniek
flappend miniatuurvliegtuig: de Delfly. Delfly kan zowel bijna stil in de lucht
hangen als snel vooruit vliegen. En hij is veel stabieler en minder kwetsbaar
dan een helikopter. In de neus van de Delfly zit een miniatuurcamera waarmee
hij zijn omgeving waarneemt. Op basis van zijn eigen camerabeelden kan hij
objecten ontwijken of juist opzoeken. De Delfly trok grote aandacht tijdens een
internationale wedstrijd voor miniatuurvliegtuigen.
Bennie Mols
De meeste huidige miniatuurvliegtuigen – Micro Aerial Vehicles (mav) – hebben De Wagter neemt een vliegtuigje dat eruitziet als een gigantisch insect in
één vast paar vleugels, net als de grote lijnvliegtuigen. Die vleugels zorgen zijn handen. Ultralicht met zijn vijftien gram. Aan de zeer smalle romp zitten
alleen voor de lift om niet uit de lucht te vallen, maar niet voor de voorstuwing. twee doorzichtige vleugelparen boven elkaar. De promovendus laat het vlieg-
mav’s hebben typisch een spanwijdte van enkele decimeters en dan is vliegen tuigje midden in de kamer los, en bestuurt het met groot gemak via een paar
met een vaste vleugel nog altijd het efficiëntste. Maar de vaste vleugel is niet stuurknuppeltjes door de kamer heen. Alsof een soort van reuzenmot zich
heilig. ‘Hoe kleiner het vliegtuig wordt, hoe interessanter het wordt om de flappend boven tafels en stoelen beweegt. Besturing door een piloot is een optie,
vleugels te laten flappen zoals een vogel of een insect’, zegt Christophe de maar geen noodzaak voor dit vliegtuig. Met een eigen miniatuurcamera aan
Wagter, promovendus op het terrein van visuele waarneming voor Unmanned boord, kan het ook zelf kijken waar het vliegt en zo objecten ontwijken of juist
Aerial Vehicles bij de faculteit Lucht- en Ruimtevaart van de TU Delft. ‘Bij opzoeken.
afmetingen van drie tot vier centimeter is flappen efficiënter dan vliegen met Een flappend vliegtuigje, dat zowel bijna stil in de lucht kan hangen als relatief
een vaste vleugel. En bij een afmeting van een centimeter is flappen de enige snel vooruit kan vliegen, en daarnaast ook nog zelfstandig, op basis van zijn
optie om nog te vliegen, als we het helikopterconcept buiten beschouwing eigen camerabeelden kan vliegen, is uniek in de wereld. Dit miniatuurvliegtuig,
laten.’ Delfly gedoopt, werd in tien weken door een team van elf studenten en drie
begeleiders ontworpen. Eerst won het in 2005 de prijs voor het beste ontwerp
6.

2. 26 WETENSCHAP & O N D E R ZO E K Flappend miniatuurvliegtuig kijkt zelf waar het vliegt
tijdens het Symposium voor Bachelor-eindopdrachten van de Delftse faculteit
Lucht- en Ruimtevaart. Nadat het ook werkelijk werd gebouwd, baarde het
vervolgens in september afgelopen jaar veel opzien tijdens een Internationale
mav-competitie in het Zuid-Duitse Garmisch-Partenkirchen, georganiseerd
door de University of Cambridge. Het team verdiende daar een Certificate of
appreciation met een prijzengeld van 35.000 dollar.
Terrorist detecteren
Het begon allemaal aanvang verleden jaar, in januari 2005. Een vertegen-
woordiger van de US Army liep diverse Europese universiteiten langs om
mensen enthousiast te maken voor de eerste Amerikaans-Europese mav-
wedstrijd. Volgens de wedstrijdeisen moesten de miniatuurvliegtuigen een
halve kilometer kunnen vliegen, een half uur in de buurt van een bepaald
punt blijven vliegen en ook nog eens een persoon met een rode koffer (een
‘terrorist’) kunnen detecteren. De hoogleraren Van Tooren en Mulder van de
Vliegen met flapvleugels: iets meer dan twee maanden hadden Delftse Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniekfaculteit en Van Leeuwen van de
elf studenten voor de uitwerking van concept tot ontwerp. Wageningen Universiteit waren enthousiast en pikten het idee op.
Omdat De Wagter toch al samen met Mulder bezig was met het opzetten van
Staartstukken in een vision-based mav-ontwerp, lag het voor de hand de promovendus ook voor
omgekeerde V-vorm, dit nieuwe project in te schakelen. ‘We hadden acht maanden de tijd om de
met roer. geschikte technologieën uit te zoeken, samenwerkende partners te vinden,
een ontwerp te maken en het uiteindelijk ook nog echt te bouwen. Daar is een
heel team voor nodig, en dus was ons idee om het ontwerp te laten doen in een
derdejaarssynthese-oefening voor studententeams. Die oefening wordt elk
jaar georganiseerd. Wij wilden vooral aan de mav-wedstrijd meedoen voor de
technologiedemonstratie, voor een nieuw concept, niet om te winnen.’ Zelf zou
De Wagter het waarnemingsgedeelte gaan begeleiden.
Aan de Wageningen Universiteit was promovendus David Lentink bezig met het
opzetten van eenzelfde ontwerpopdracht voor de kleinst mogelijke flappende
mav, samen met de Delftse hoogleraar Van Tooren en de Wageningse hoogleraar
Van Leeuwen. Van Tooren bracht de promovendi De Wagter en Lentink bij
elkaar. Er werd besloten om een flappend miniatuurvliegtuig met camera-
De tractie van de systeem te laten ontwikkelen door studenten. ‘We wilden een vliegtuigje dat
DelFly bestaat uit zowel heel langzaam kan vliegen, en bijna kan stilhangen in de lucht, als vrij
een elektrische snel kan vliegen en tegelijk stabiel is’, zegt De Wagter. ‘Dan is flappen noodzaak.
motor die twee Een flappend vliegtuig haalt bij dezelfde vliegsnelheid een hogere lift dan
wielen aandrijft. een vliegtuig met vaste vleugels. Dat betekent ook dat hij een lagere minum-
Deze eenvoudige snelheid haalt dan een vastvleugelig toestel. Een vliegtuig dat langzaam kan
versnellingsbak vliegen, kan zijn omgeving beter waarnemen met hetzelfde camerasysteem.
zorgt ervoor dat de Ons doel was dat het vliegtuig heel langzaam en zelfstandig, dus met zijn eigen
motor optimale snel- camerabeelden, door een raam moest kunnen vliegen.’
heden kan draaien. Lentink ging het ontwerp van het flappend vliegen te begeleiden. Hij is afgestu-
deerd bij de Delftse Lucht- en Ruimtevaartfaculteit en werkt inmiddels in
Wageningen aan een promotieonderzoek op het gebied van de optimale vloei-
stofmechanische strategieën die dieren gebruiken bij vliegen en zwemmen.
Hij heeft veel ervaring met zowel het bouwen van kleine al dan niet flappende
vliegtuigen, als met het bestuderen van het vliegen van vogels en insecten.
Tien weken had een team van elf studenten voor de ontwerpoefening de tijd
om een flappend vliegtuig te ontwerpen dat ook nog eens autonoom kan
vliegen. Lentink: ‘Het grootste probleem was dat er maar heel weinig literatuur
beschikbaar is over hoe je een klein vliegtuig met flappende vleugels moet
bouwen. Er zijn überhaupt maar heel weinig succesvolle flappers in de wereld
gebouwd. Het bouwen van miniatuurvliegtuigen met flappende vleugels
begint pas net van de grond te komen. We wilden ook nog eens een heel licht
vliegtuigje bouwen, niet meer dan vijftien tot twintig gram, en bovendien
moest er ook nog een miniatuurcamera mee aan boord. Zo licht bouwen is een
hele speciale tak van sport. Toen we de studenten vertelden dat we een vlieg-
tuigje van vijftien gram wilden, dachten ze eerst dat we honderdvijftig gram
De romp bestaat uit niet meer dan een lange pijp die het staartstuk met de vleugels verbindt. bedoelden.’
Dan is er nog de bijzondere techniek van het flappend vliegen. ‘Bij een flappe-
rontwerp heb je extreem weinig aan de gewone aërodynamicakennis’, vervolgt
Lentink. ‘In de jaren dertig rekende een aërodynamicus eens het vliegen van een
insect door. Hij kwam tot de conclusie dat een insect onmogelijk kan vliegen.
Daar hield de analyse op. Het zijn juist de biologen die het belangrijkste van het
vliegen van vogels en insecten zelf hebben ontdekt. Driekwart van de zinvolle
literatuur over flappend vliegen, komt van biologen.’
6.

3. Flappend miniatuurvliegtuig kijkt zelf waar het vliegt WETENSCHAP & O N D E R ZO E K 27
‘Niet klakkeloos natuur kopiëren’ Binnenvliegtuig
De Wagter werd verantwoordelijk voor het waarnemingsgedeelte, Lentink Het flappen zorgt voor de lift en voor de voortstuwing. De stabiliteit en de
voor het flappergedeelte, en voor het elektronicagedeelte werd Rick Ruijsink besturing haalt de Delfly uit het staartvlak dat een naar beneden gerichte
ingeschakeld, een expert in de elektronische besturingssystemen voor model- V-vorm heeft. Op de staart zitten de richtings- en hoogteroeren. ‘De V-vorm
bouwvliegtuigen. In de jaren negentig had hij jarenlang het record in handen is efficiënter dan de conventionele T-vorm zoals gewone lijnvliegtuigen die
van ’s werelds kleinste commercieel verkrijgbare radio-ontvanger. Sindsdien hebben’, zegt De Wagter. ‘Een lijnvliegtuig kan zo’n naar beneden gerichte V
helpt hij andere elektronici om hun afstandbesturingen te verbeteren. ‘Het natuurlijk niet gebruiken, want die zou bij de landing tegen de grond worden
goed integreren van deze drie takken van kennis is de basis van het succes gesmakt, maar voor ons lichte miniatuurvliegtuig vormt dat geen probleem.’
geweest’, zegt Lentink. Het bouwen, het testen en het fijnafstellen van de gebouwde exemplaren moest
Voor de buitenstaander spreekt het flapgedeelte het meeste tot de verbeelding. uiteindelijk gebeuren in de maanden juli en augustus, normaliter de vakan-
Voor wie de Delfly ziet vliegen, springt dat het meest in het oog. Twee tot drie tiemaanden van de studenten. De romp van de Delfly bestaat uit buisjes van
weken had het studententeam om zich in te werken in de materie. Daarna koolstofvezel, en de vleugelliggers uit koolstofvezel versterkt met balsahout.
kregen ze drie weken om op basis van de mav-wedstrijdeisen een basisontwerp Het miniatuurvliegtuig heeft een vleugelspanwijdte van 35 centimeter en is
te kiezen. Vier weken bleven er over voor het gedetailleerd uitwerken van het 40 centimeter lang. De vleugels zelf bestaan uit een doorzichtige mylar-folie.
ontwerp. De eerste keuze die de studenten moesten maken, was tussen een Vier exemplaren werden er uiteindelijk gemaakt, variërend tussen vijftien en
enkel paar flappende vleugels (monoplane), zoals bij een vogel; twee vleugel- twintig gram. De Wagter: ‘De Delfly kan weliswaar goed tegen luchtkrachten,
paren achter elkaar zoals bij een libelle (tandem); en twee vleugelparen boven maar niet altijd tegen mensenkrachten, dus moeten we altijd enkele reserve-
elkaar (biplane), zoals bij sommige insecten voorkomt. De studenten bouwden exemplaren achter de hand hebben.’
simpele versies van elk basisontwerp en gingen die testen in een sporthal. Met Voor zijn gewicht is de Delfly eigenlijk groot, wat betekent dat hij een lage
eenvoudige metingen viel de ontwerpkeuze uiteindelijk op de biplane met zijn vleugelbelasting heeft. Dat heeft als nadeel dat hij niet goed tegen wind kan
twee paar vleugels boven elkaar. en daarmee eigenlijk echt een binnenvliegtuig is. De Wagter: ‘Hij is geoptima-
‘Een van de grootste voordelen is dat een biplane veel minder trilt in de lucht dan liseerd voor het dragen van relatief veel extra lading zoals camera, ontvanger,
de andere modellen’, zegt Lentink. ‘Dat levert stabielere camerabeelden en een zender en batterijen. Dat het een binnenvliegtuig is, is een ontwerpkeuze en
betere herkenning van de omgeving op. Daarnaast is hij qua energiezuinigheid heeft niets te maken met het feit dat hij zo licht is. Overigens hebben we er ook
maar nauwelijks minder dan de monoplane, de zuinigste van de drie basisont- buiten mee gevlogen, en zolang het niet hard waait gaat dat best.’
werpen.’
De biplane lijkt weliswaar op een mot met twee vleugelparen, toch vliegt hij Elektronica als bottleneck
anders. ‘Op de manier zoals de Delfly de twee vleugelparen gebruikt, is er Een klein, twee gram wegend motortje in de neus van het vliegtuig stuurt via
in de natuur nooit een insect geëvolueerd’, vertelt Lentink. ‘Het klinkt wel twee tandwieltjes twee staafjes aan, die op hun beurt de twee paar vleugels
populair om te roepen dat onze vliegtuigen als een vogel of als een insect tegelijk aansturen, zodat ze in tegenfase op en neer bewegen. Gemiddeld
moeten vliegen, maar dat is echt onzin. Ik kijk met plezier naar het vliegen van flappen de vleugels met een frequentie van zes hertz. Om bijna stil in de lucht
vogels en insecten, maar we moeten niet zo naïef zijn om te denken dat we de te blijven hangen, moeten ze wat harder flappen: tussen acht en tien hertz. Zo
natuur precies zo, maar dan met heel andere materialen moeten nabouwen. We kan de Delfly zijn snelheid variëren tussen nul en twintig kilometer per uur.
moeten ons laten inspireren door wat we in de natuur zien, maar we moeten De roeren op het startvlak worden aangestuurd met twee direct naast elkaar
zeker niet perse hetzelfde willen doen als een vogel of een insect. We hebben liggende magneetservo’s: kleine spoelen met in elk een magneetje. Door
noch de materialen, noch de elektronica om een soort van kunstmatige vlieg op elektrische pulsjes door de spoelen te sturen, ontstaat er een magneetveld in
die kleine schaal na te bouwen. Bovendien stelt de natuur zijn eigen eisen, en de spoelen, waardoor in elk spoeltje het magneetje gaat bewegen. Om elkaars
stelt de mens zijn eigen eisen. Insecten zijn niet geëvolueerd om een terrorist te magneetveld niet te beïnvloeden, zijn de spoelen loodrecht op elkaar geori-
volgen. Onze mav’s hoeven geen partners te lokken en hoeven zich niet voort te enteerd. De bewegende magneetjes trekken of duwen via koolstofstangetjes
planten.’ aan de roeren, die zo onafhankelijk van elkaar en in continue posities kunnen
variëren. ‘Bij de bouw was de elektronica de belangrijkste bottleneck’, zegt De
Wagter. ‘Het gaat om het vastpakken en solderen van hele dunne draadjes. Dat
Deels insect, deels vogel
Zo kan een fruitvlieg, ondanks z’n hersenmassa ter grootte van een maanzaadje,
perfect balans houden met informatie die van zijn ogen komt dank zij de gyroscopische
werking van zijn oorspronkelijk tweede vleugelpaar dat inmiddels is omgevormd tot
Insecten en vogels kunnen dan wel niet klakkeloos worden nagebootst, ze kunnen ons twee trillende knotsjes. Als je die knotsjes verwijdert, storten de diertjes meteen neer
wel iets leren. want daarmee meten ze namelijk hun hoeksnelheden, de precessies. Die informatie
Neem de oplossing van het gevaar van overtrek, het verschijnsel waarbij een vleugel is cruciaal om hun stand in de lucht te kunnen behouden. Deze uitdaging staat ons nu
zeer veel draagkracht verliest en zijn weerstand vergroot: met noodlottig gevolg als ook te wachten.”
de vliegtuigbemanning niet ingrijpt. “Doordat de Delfly bijna als een insect met zijn Dank zij deze dubbele vleugel is de netto-lift per tijdseenheid constanter en trilt
vleugels flapt, ‘overtrekt’ de vleugel op een heel bijzondere manier, waardoor er een de Delfly minder sterk. “Hiermee hebben we een heel stabiel camera-platform
zeer sterke en stabiele voorrandwerveling bovenop de vleugel blijft hangen. Die zorgt gerealiseerd en ondanks het feit dat de vleugels zelf als gekken trillen krijgen we
voor een geweldige zuigkracht, zodat de vleugel veel meer draagkracht kan leveren” scherpe beelden” aldus Lentink.
verklaart David Lentink. Tijdens een demonstratie in de hal van Lucht- en Ruimtevaart Christophe De Wagter wijst er echter op dat er ook verschillen zijn. Zo heeft een libelle
was te zien hoe het nietige toestel tijdens het ‘hoveren’ veel meer achterover hing de twee paar vleugels achter elkaar staan, kan dit insect de invalshoek van zijn vier
dan tijdens een snelle voorwaartse vlucht – net als een insect dat bijna stil hangt in de vleugels afzonderlijk instellen en kan het ze bovendien naar voren of naar achteren
lucht; op zoek naar voedsel zoals een fruitvlieg, of om hun luchtruim te bewaken zoals buigen, waardoor het beestje naar voren, achter of opzij kan kantelen. Ëen staart is
zweefvliegen dat doen. “Die standhouding heeft tot gevolg dat de hoek waarmee de daardoor overbodig. De Wagter: “Vanwege het gewicht en de eenvoud van de bouw
lucht de vleugel aanstroomt zeer groot is, ver voorbij de hoek waarbij vliegtuigvleugels van de Delfly hebben wij echter gekozen voor een staartvlak met roeren voor de
overtrokken raken,” zegt Lentink. “Insecten met meerdere vleugelparen waren de bestuurbaarheid en de stabiliteit. Met meer scharnieren, elektronica en gyroscopen is
eerste vliegende dieren; na een ontwikkeling van een paar honderd miljoen jaar een staartloze Delfly de komende jaren denkbaar, maar het wordt wel ingewikkeld.”
hebben de meest geavanceerde insecten, de vliegen, nog maar één vleugelpaar.
Robert van der Veen
6.

4. 28 WETENSCHAP & O N D E R ZO E K Flappend miniatuurvliegtuig kijkt zelf waar het vliegt
is precisiewerk. Er ontstaat bijvoorbeeld makkelijk kortsluiting. Ook elektro-
magnetische storing en niet-optimale signalen van de lichtgewichtelektronica
spelen soms parten. Om al deze problemen de baas te kunnen, was de ervaring
van Rik Ruijsink onontbeerlijk. Soms was hij de enige die een probleem kon
oplossen.’
Op een printplaatje van 1,5 bij 1,5 centimeter in de neus van de Delfly zitten een
ontvanger, een motorregelaar en twee servoregelaars. De ontvanger verwerkt de
signalen die van het grondstation komen en stuurt de motor en de roeren aan.
Met een 3,5 gram wegende lithiumbatterij aan boord, kan de Delfly ruim een
kwartier vliegen.
Eenoog
Het oog van de Delfly zit in de neus. Een kleine camera in de vorm van een 1,2
gram pinhole-lens registreert de beelden die het vliegtuigje van de omgeving
ziet. Maar het Delfly-brein bevindt zich op de grond, in een computer van
het grondstation. Een zender in de neus stuurt de camerabeelden naar het veel dichter bij wanden en objecten vliegen zonder dat we bang hoeven zijn dat
grondstation, waar ze worden gedigitaliseerd en naar een 3 GHz-pc worden hij beschadigd raakt.’
gestuurd. Die interpreteert de beelden en kan stuursignalen terug naar het
vliegtuig sturen. ‘De computer haalt eerst de trillingen uit het beeld om het Toepassingen
beeld te verbeteren, en daarna begint de beeldinterpretatie’, zegt De Wagter. De specifieke mogelijkheden van Delfly lenen zich voor diverse nuttige toepas-
‘Via patroonherkenning en de detectie van kleuren, vormen en beweging kan singen. Militairen zijn geïnteresseerd om een dergelijk vliegtuigje bijvoor-
de Delfly de positie van een voorwerp bepalen en die informatie gebruiken om beeld te gebruiken voor verkenningstochten. Ook leent het toestel zich voor
naar een bepaald doel te sturen of juist ervan weg.’ het inspecteren van bijvoorbeeld gebouwen, bruggen, moeilijk bereikbare
Tijdens de officiële mav-wedstrijd in Duitsland van afgelopen september installaties of onveilige en moeilijk begaanbare gebieden. Voor de politie is het
vloog de Delfly driemaal heel langzaam door een vierkant raam van 1,2 meter concept wellicht nuttig voor het observeren van grote menigtes. En dan is er
binnenin een sporthal. ‘Het manoeuvreren door het raam ging vlekkeloos’, zegt nog de speelgoedindustrie. De Wagter: ‘We hebben al heel veel vragen gehad
De Wagter. ‘Als enige kon de Delfly ook zelfstandig de zogenaamde terrorist van mensen waar ze zo’n Delfly kunnen kopen.’
detecteren, een man met een rood koffer.’ Momenteel is de camera de enige sensor aan boord. De Delfly is een vision-
Voornamelijk omdat de storingen op het camerabeeld nog te groot zijn, only-control-vliegtuig, wat zijn beperkingen heeft. De Wagter: ‘Als het vlieg-
wordt de Delfly nu het grootste deel van de tijd nog handmatig bestuurd. De tuigje snel in de lucht draait, dan wordt het beeld wazig, wat ten koste gaat
piloot op de grond ziet op een beeldscherm wat de Delfly ziet en kan hem zo, van de precisie van de automatische besturing. Met een combinatie van een
ook als het vliegtuigje uit zicht is, besturen. ‘De software voor het zelfstandig cameraatje en een kleine gyroscoop zouden we betere resultaten kunnen
vliegen kan al redelijk wat’, zegt De Wagter, ‘maar pas als we betere camera- behalen. Een gyroscoop is goed in het snel reageren op bewegingen, net zoals
beelden hebben, kan de Delfly dat alles ook in werkelijkheid gaan doen.’ twee trillende knotsjes bij een vlieg zijn snelle bewegingen registreren. De
Weliswaar kan een helikopter ook stil in de lucht hangen, want daarvoor is camera is net als de ogen van een vlieg juist goed in de hele gedetailleerde, maar
hij speciaal ontworpen, maar de Delfly heeft een paar belangrijke voordelen niet zo snelle waarneming.’
ten opzichte van de helikopter. De Wagter: ‘De Delfly is veel stabieler en ook ‘Door extreem goed samen te werken, en door drie uiteenlopende takken
veel makkelijker te besturen. Studenten die nog nooit een miniatuurvliegtuig van kennis perfect te integreren, hebben derdejaarsstudenten in tien weken
op afstand hadden bestuurd, konden binnen een paar weken prima met de iets voor elkaar gekregen wat niet eens de meest ervaren ingenieurs lukt’,
Delfly vliegen, terwijl je met een helikopter maanden zo niet jaren nodig hebt. zegt Lentink. ‘De Delfly is niet zo zeer vernieuwend in de zin dat hij nieuwe
Bovendien is de Delfly mechanisch eenvoudiger en kan hij beter tegen een wetenschappelijke kennis heeft opgeleverd, maar hij is wel vernieuwend in
stootje dan een helikopter. Als de tip van een helikopter een raam of een wand het systeemontwerp, in het integreren van de flaptechniek, de automatische
raakt, dan blijft er weinig meer van over. De Delfly overleeft dat wel. Hij kan waarneming en de elektronica. Het is überhaupt een van de weinige succesvolle
flappende miniatuurvliegtuigen, en dan ook nog een van de heel weinige die
met een camera zelfstandig kan vliegen en voorwerpen kan herkennen.’
De DelFly vliegt hoog door de gang
Enkele statistische gegevens over de DelFly.
Vleugelwijdte 33 cm, totale lengte 4 cm, gewicht15-1 gram, afhankelijk van de algehele
uitrusting. Het totale gewicht hangt af van de samenstelling; met of zonder camera, het type
landingsgestel en het aantal batterijen. Zelfs de zwaarste versie bleek 17 minuten onafgebroken in
de lucht te kunnen blijven, op een enkel batterijtje.
6.