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Was sind autonome Drohnen?

7 Minuten

Autonome Drohnen, auch bekannt als unbemannte Luftfahrzeuge oder Drohnen, sind Fluggeräte, die in der Lage sind, Aufgaben und Flugmanöver ohne direkte menschliche Steuerung oder Fernsteuerung durchzuführen. Sie sind mit einer Reihe von Sensoren, Kameras und anderen Technologien ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, ihre Umgebung wahrzunehmen, Entscheidungen zu treffen und entsprechend zu handeln. Insbesondere werden für unbemannte Luftfahrzeuge die folgenden Begrifflichkeiten verwendet:
 

UA: Unmanned Aircraft
UAS: Unmanned Aircraft System
UAV: Unmanned Aircraft Vehicle
RPAS: Remotely Piloted Aircraft System

Automation

Die Verwendung oder Einführung automatischer Anlagen in einem Fertigungsprozess oder einer anderen Einrichtung.
Wie automatisiert eine Drohne ist, hängt immer davon ab, wie viel automatische Ausrüstung beteiligt ist und wie viel manuelle Eingriffe erforderlich sind. Eine automatisierte Drohne befolgt Anweisungen zu Ziel und Route, kann aber keine Entscheidungen treffen.

Autonomie

Freiheit von externer Kontrolle oder Einflussnahme. Wie autonom eine Drohne ist, muss immer ein Mass dafür sein, wie unabhängig die Plattform und ihre Arbeitsabläufe sind. Eine wirklich autonome Drohne würde sowohl über Ziel und Route als auch über die Steuerung in der Luft entscheiden.

Autonome Drohnen können verschiedene Anwendungen haben, darunter Luftbildaufnahmen, Inspektionen von Infrastrukturen, landwirtschaftliche Überwachung, Rettungseinsätze, Paketlieferungen und vieles mehr. Sie können vorprogrammierte Flugrouten abfliegen, Hindernissen ausweichen, automatisch landen und wieder aufladen. Fortschritte in der künstlichen Intelligenz und maschinellem Lernen ermöglichen es den Drohnen, ihre Fähigkeiten weiter zu verbessern und komplexere Aufgaben zu bewältigen. Die Autonomie von Drohnen bietet viele Vorteile, darunter Effizienzsteigerungen, Kosteneinsparungen und die Reduzierung des menschlichen Risikos bei gefährlichen oder schwer zugänglichen Missionen. Gleichzeitig stellen sie jedoch auch neue Herausforderungen in Bezug auf Sicherheit, Datenschutz und Regulierung dar, da sie den Luftraum mit bemannten Flugzeugen und anderen Luftfahrzeugen teilen.

Die autonomen Fähigkeiten von Drohnen lassen sich in verschiedene Stufen oder Level unterteilen:

 

 

Der Grad der Autonomie einer Drohne kann über den Erfolg eines Einsatzes entscheiden. Der Sinn des Einsatzes von Drohnen besteht darin, dass sie Gebiete und Anlagen durchpflügen und qualitativ hochwertige Daten erfassen, die entweder unerwünscht oder für eine manuelle Erfassung ungeeignet sind. Bei UAVs der Stufe 2 und darunter hängt es von den Fähigkeiten des Bedieners ab, wie nützlich die gesammelten Daten sein werden. 

 

Der industrielle Einsatz von autonomen Drohnen ist unglaublich vielfältig: Objektinspektion, Umweltüberwachung, Präzisionslandwirtschaft, Standortüberwachung und so weiter und so fort. All diese Aufgaben fallen unter das Dach der Fernerkundung, die sich im Wesentlichen auf die kontaktlose Datenerfassung bezieht. Autonome Drohnen führen Fernerkundungen durch, um Luftdaten auf drei verschiedene Arten zu sammeln.

Photogrammetrie

Hier werden Hunderte und Tausende von Schnappschüssen über eine bestimmte Fläche aufgenommen, bevor sie zu einem dreidimensionalen  Rendering zusammengefügt werden.

LIDAR

"Light Detection and Ranging" (Lichterkennung und Entfernungsmessung). Es sendet Laserlichtimpulse aus und misst die genaue Zeit, die diese Impulse benötigen, um vom Boden zurückgeworfen zu werden. Es misst auch die Intensität dieser Reflexion. Die gesammelten Datenpunkte durchlaufen dann eine Kartierungssoftware, um ein dreidimensionales Modell zu erstellen.

BVLOS: Was ist das?

 

BVLOS steht für "Beyond Visual Line of Sight" und bezieht sich auf den Betrieb von Drohnen ausserhalb der Sichtweite des Piloten. Wenn eine Drohne BVLOS fliegt, bedeutet dies, dass sie sich außerhalb des direkten Sichtbereichs des Bedieners befindet und von diesem nicht visuell überwacht werden kann.

 

Bei herkömmlichen Drohnenflügen bleibt der Pilot in der Regel in der Nähe der Drohne und behält sie ständig im Blickfeld. Bei BVLOS-Operationen wird jedoch die Sichtverbindung zwischen dem Piloten und der Drohne unterbrochen, was typischerweise über die Verwendung von Technologien wie Fernsteuerungen, Sensoren, GPS und Kommunikationssystemen ermöglicht wird. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für den Einsatz von Drohnen, insbesondere für längere Strecken, großflächige Inspektionen, Lieferungen und andere Anwendungen, bei denen eine direkte Sichtverbindung nicht praktikabel oder erforderlich ist.

Der Betrieb von Drohnen BVLOS erfordert spezielle Genehmigungen und strikte Sicherheitsmaßnahmen, da das Risiko von Kollisionen oder anderen unerwünschten Ereignissen erhöht ist. Die genauen Vorschriften und Richtlinien für BVLOS-Operationen variieren je nach Land und Rechtsprechung und unterliegen häufig strengen Auflagen, um die Sicherheit von Luftverkehr und Bodenpersonal zu gewährleisten.

 

Was gilt in der Schweiz?

Drohnenpiloten müssen eine Bewilligung für den gewerblichen Betrieb von Drohnen mit einem Gewicht über 500 g beantragen.

Für private Drohnenflüge gelten Einschränkungen wie die Einhaltung der Sichtweite, die Höhenbeschränkung von 120 Metern über Grund und die Vermeidung von Überflügen von Menschenmengen, Strassen und Bahnanlagen.

DroneRules.eu ↗
Luftfahrtkarte ↗

Technische Herausforderungen im Bereich autonomer Drohnen umfassen die Entwicklung zuverlässiger Hinderniserkennungs- und Vermeidungssysteme, präzise Navigation und Positionierung, Verbesserungen in der Energieeffizienz und Flugzeit, zuverlässige Kommunikationssysteme und die Integration autonomer Drohnen in den regulären Luftraum. Hinderniserkennung und -vermeidung sind entscheidend, um Kollisionen zu vermeiden, während präzise Navigation und Positionierung eine genaue Flugbahn ermöglichen.

 

Auch die Begrenzung der Energiekapazität von Batterien erfordert Fortschritte in der Batterietechnologie, um die Flugzeit zu verlängern. Zuverlässige Kommunikationssysteme sind erforderlich, um Echtzeitdatenübertragung und -steuerung zu gewährleisten, und die Integration in den regulären Luftraum erfordert die Entwicklung von Systemen zur Luftraumüberwachung und Flugverkehrsmanagement. Heutzutage basieren autonom fliegende Drohnen auf fortschrittlichen Technologien wie Künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) um ihre Fähigkeiten zu verbessern und Aufgaben ohne direkte menschliche Steuerung durchzuführen. Vor allem Training von Algorithmen und der Bereitstellung grosser Datenmengen ist  wichtig um die Entscheidungsfähigkeit und Flugleistung der Drohnen zu optimieren. Kontinuierliche Fortschritte in Technologie und Regulierung erforderlich sind, um eine sichere und effiziente Integration der Drohnen in dem Luftraum zu gewährleisten. Der erfolgreiche Einsatz autonomer Drohnen von einer ausgewogenen Kombination aus technologischen Fortschritten, verantwortungsvoller Regulierung und einem kontinuierlichen Lernprozess abhängt.

Was sind Neuronale Netzwerke?

 

Ein künstliches neuronales Netzwerk (KNN) basiert auf der Struktur des menschlichen Gehirns. Es besteht aus vielen Knoten, die auch als künstliche Neuronen bezeichnet werden. Diese Neuronen sind miteinander verbunden und können miteinander interagieren. Sie nehmen Informationen von anderen Knoten oder von externen Quellen auf, verarbeiten sie und geben das Ergebnis an andere Neuronen weiter.

 

Die Stärke und Bedeutung der Verbindungen wird durch Gewichtungen festgelegt. Diese Gewichtungen müssen einem KNN zunächst beigebracht werden, d.h. das KNN muss in einer bestimmten Aufgabe trainiert werden. Aufgrund der speziellen Struktur und Verknüpfung können KNN dazu dienen, Anwendungsprobleme schneller zu lösen.

Das Projekt von Davide Scaramuzza , einem Professor für Robotik und Wahrnehmung an der Universität Zürich konzentriert sich darauf, autonome Drohnen mit fortschrittlicher Navigation und Wahrnehmungsfähigkeit auszustatten. In einem beeindruckenden Youtube-Video ist zu sehen, wie der Quadrokopter autonom durch den Wald navigiert, ohne menschliche Steuerung und ohne dabei zu kollidieren. Das Ziel des Projekts ist es, Drohnen in der Lage zu machen, selbstständig und sicher zu fliegen, indem sie ihre Umgebung genau wahrnehmen und Hindernissen ausweichen können. Das Team von Scaramuzza nutzt visuelle Sensoren und innovative Algorithmen, um den Drohnen eine präzise und zuverlässige Flugkontrolle zu ermöglichen.

Lina Project

LINA (A shared large-scale infrastructure for the development and safe testing of autonomous systems) ist ein langfristiges Infrastrukturprojekt, das von ZHAW, UZH und ZHDK zusammen mit Industriepartnern wie Skyguide und Matternet durchgeführt wird. Die Vision des Projekts besteht darin, einen Hub aufzubauen: eine hoch effiziente operative Basis für die größte europäische reale und virtuelle Infrastruktur zur Erforschung, Entwicklung und sicheren Erprobung autonomer Systeme mit dem Ziel der kommerziellen Nutzung im Kanton Zürich. Der LINA-Hub ist der Ort, an dem Experten aus der ganzen Welt interdisziplinär zusammenkommen, um die Zukunft zu gestalten und die Gesellschaft über die zivilen Anwendungen autonomer Systeme zu informieren. Die Mission der gross angelegten Infrastruktur am Flugplatz Dubendorf besteht darin, einen effizienten Zugang zu Einrichtungen sowie Innen- und Aussenflächen für die Entwicklung und Erprobung von boden- und luftgestützten autonomen Systemen zu ermöglichen. Das Projekt stellt drei hochinnovative Testarenen zur Verfügung: 

  1. einen anpassbaren Outdoor Digitalkäfig, der sicherstellt, dass UAVs sicher betrieben werden können.

  2. einen Outdoor Physischkäfig (100 x 50 x 12m), der sichere UAV- und Bodenroboteroperationen ermöglicht

  3. eine Indoor-Tracking-Arena (50 x 20 x 8m), die ein hochpräzises Positionstracking-System und eine Windtunnelinstallation für die Forschung und Entwicklung von autonomen Systemen.

 
 

Heutzutage existiert eine Infrastruktur wie LINA weder in der Schweiz noch in Europa. Es besteht jedoch ein dringender Bedarf von innovativen Unternehmen und Forschungseinrichtungen, ihre autonomen Systeme in einer sicheren und regulierten Umgebung zu testen, zu validieren und zu zertifizieren, die einen effizienten Zugang bietet. Viele dieser Unternehmen sind in der weiteren Region Zürich ansässig, wo sich auch weltweit führende Universitäten und Forscher befinden, die sich auf boden- und luftgestützte autonome Systeme und verwandte Disziplinen wie künstliche Intelligenz oder Mensch-Maschine-Interaktion konzentrieren. Hier sollen interdisziplinäre Zusammenarbeiten entwickelt, autonome Systeme unterschiedlicher Reifegrade getestet und damit verbundene gesellschaftlich relevante Themen in Bildungs-, kontroversen, kommerziellen und unterhaltsamen Formaten aufbereitet werden. Der LINA-Hub arbeitet mit verschiedenen Lieferanten von Infrastrukturkomponenten zusammen, die Ausrüstung, Wartung und Support-Services gegen eine nutzungsabhängige Gebühr bereitstellen.

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