Drones ontwikkelen die kleiner en lichter zijn dan normale drones, maar toch dezelfde taken kunnen uitvoeren. Het lukte Bart Duisterhof, verkozen tot best graduate van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaartechniek. Voor zijn mastersciptie maakte hij slimme minidrones die zelfstandig gaslekken kunnen opsporen. “Als je niet bang bent om van de gebaande paden af te wijken, kom je tot oplossingen die je anders misschien nooit had bedacht.”

Voor operaties in complexe en kleine ruimtes, zoals het opsporen van een gaslek, heb je kleine goedkope drones nodig. “Zulke ruimtes zijn vaak niet of slecht toegankelijk”, zegt Bart Duisterhof. “Bovendien heb je te maken met explosiegevaar. Je wilt dus het liefst geen mensen zo’n ruimte insturen. In plaats daarvan kun je drones gebruiken.”

Normale drones zijn alleen vaak net te groot voor kleine ruimtes, vervolgt Duisterhof. “Dat maakt het lastiger het lek te vinden en de kans dat de drone ergens tegenaan vliegt, is redelijk groot. Dan ben je én je dure drone kwijt, én je hebt het gaslek nog niet gevonden.”

Daarom kwam Duisterhof met het idee om meerdere kleine drones te ontwikkelen die zich vervolgens in een ruimte verspreiden. “Zodra een van de drones gas detecteert, communiceert die dat met de andere drones, waarna ze samen het lek lokaliseren. Met meerdere drones spoor je dus sneller een lek op. Een ander voordeel van werken met kleine, goedkope drones is dat het minder erg is als er een paar falen of crashen.”

Van de gebaande paden

De keuze voor z’n onderwerp was volgens Duisterhof redelijk riskant. “Er was al eerder een studie gedaan naar kleine drones en het detecteren van gaslekken. Een van de conclusies was dat het misschien niet zou werken. Ik kwam erachter dat niet elk gas zich even goed verspreidt en daardoor lastig detecteerbaar is. Het gas in onze tests was gelukkig wel goed detecteerbaar.”

Voor Duisterhof een teken dat je met onderzoek soms gewoon risico’s moet nemen. “Het fijne van een universiteit is dat je daar de ruimte voor hebt. Ook heb ik iets gedaan dat misschien niet direct aansluit bij m’n opleiding. Veel dingen heb ik mezelf aangeleerd, zoals het maken van algoritmes. Binnen je studie kun je dus ook zijpaden bewandelen. Dan kom je tot oplossingen die je anders misschien nooit had bedacht.”

Elk stukje chip optimaal benutten

Om gaslekken op te kunnen sporen moeten de drones onder andere kunnen navigeren. De meeste drones gebruiken daarvoor een camera of grote lasers. “Die dataverwerking neemt veel ruimte in beslag op de chip. Net als de software met plattegronden die met aan de hand van een complexe optimalisatie het beste pad bepalen. Als je het gewicht van de drone wilt beperken, kun je geen krachtige computer meenemen.”

Omdat de reguliere navigatiemethodes niet werken op kleine drones, moest Duisterhof dus op zoek naar andere oplossingen. Bijvoorbeeld een camera vervangen door kleine lasersensors. Duisterhof: “Dat scheelt zo een paar megabite aan opslag. Ook verminder je het gewicht van een drone, waardoor je de vliegtijd verlengt. Door een algoritme te ontwikkelen dat gebruikmaakt van een set eenvoudige gedragsregels kon ik de hoeveelheid data nog verder beperken.”

Inspirerende insecten

Voor het algoritme haalde Duisterhof inspiratie uit insecten. “Insecten volgen een aantal simpele gedragsregels, bijvoorbeeld om te voorkomen dat ze ergens tegenaan botsen. Zo’n op insecten geïnspireerd algoritme heet een bug-algoritme. Vandaar de naam van mijn masteronderzoek, ‘Sniffy Bug’.”

Duisterhof kopieerde niet exact de regels die insecten volgen, maar bedacht zelf een algoritme. “Uiteindelijk heb ik daarin 16 parameters verwerkt. Onder andere een die voorkomt dat de drones tegen een muur of tegen elkaar vliegen, zonder dat ze zo veel afstand houden dat ze het gaslek misschien mislopen.” Een andere parameter zorgt ervoor dat de drones samenwerken, de zogeheten particle swarm optimization (PSO).

Gratis software gebruiken

Omdat niet alle onderdelen voor de drones zomaar te koop zijn, bouwde Duisterhof zelf de hardware voor de drones. “De gassensoren die ik heb gebruikt, zitten gewoon in reguliere rookmelders, maar het groene printboard met de chip moest ik zelf ontwikkelen.”

Dat was nog best een uitdaging, vervolgt Duisterhof. “Het softwareprogramma dat ik ervoor gebruikte is heel duur. Ik kon een gratis trial gebruiken maar die verliep na 15 dagen. Ik had dus maar tijd voor één ontwerp dat ook meteen goed moest zijn. Met behulp van een PhD-student is me dat gelukt. Daarna moest ik het nog onder een microscoop solderen. Weer iets dat ik nooit eerder had gedaan.”

 

"Toen ik met m’n studie begon had meer in m’n hoofd om later vliegtuigen te bouwen bij Airbus of iets in de ruimtevaart te doen. Maar het werd uiteindelijk bijna het tegenovergestelde: hele kleine vliegmachines dicht bij de grond."

- Bart Duisterhof      

Geslaagde test

Uiteindelijk slaagde Duisterhof erin om de gewenste drones met een diameter van 12 centimeter en gewicht van 37,5 gram te ontwikkelen. Het algoritme was al getest met behulp van een simulatiemodel op de computer, ook door Duisterhof zelf geschreven. Maar lukte het de drones ook om daadwerkelijk een gaslek op te sporen?  

Duisterhof: “De praktijk is toch anders. Je weet niet precies wat de invloed is van de wind. En is de sensor wel goed genoeg? De eerste geslaagde test was zo’n bijzonder moment. Het was supervet om te zien dat een van de drones een gaslek detecteerde en dat de andere twee daar vervolgens naartoe vlogen.”

Nieuwe stap autonome minirobots

Met z’n onderzoek is volgens Duisterhof weer een nieuwe stap gezet in de verdere autonomie van kleine robots. De technologie kan ook worden toegepast voor andere doeleinden dan gaslekken, benadrukt hij. “Denk aan kassen, waar minidrones tussen de planten onkruid of rot kunnen opsporen. Maar ook voor een maanlander. Wanneer je die de ruimte instuurt wil je het gewicht zoveel mogelijk beperken. Elke gram telt.”

Dat Duisterhof bijdraagt aan de ontwikkeling van drones, had hij een paar jaar geleden niet kunnen denken. “Toen ik met m’n studie begon had meer in m’n hoofd om later vliegtuigen te bouwen bij Airbus of iets in de ruimtevaart te doen. Maar het werd uiteindelijk bijna het tegenovergestelde: hele kleine vliegmachines dicht bij de grond. Ik vind kunstmatige intelligentie enorm interessant. Veel meer nog dan de dynamica van vliegsystemen.”

Best graduate Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek

Met z’n masterscriptie werd Duisterhof verkozen tot best graduate van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaartechniek. “Ik had dit niet zien aankomen, maar ik vind het heel cool. Het is een mooie erkenning van m’n onderzoek en zo’n titel staat natuurlijk mooi op m’n wetenschappelijke cv. Wat ik persoonlijk misschien nog wel het leukste vond, is dat mijn opa vertelde dat hij op NPO Radio 1 over Sniffy Bug had gehoord. Dat is weliswaar geen wetenschappelijke erkenning, maar wel heel bijzonder.”

/* */