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Drohnen werden die Welt verändern

Photonics News 80

Science Fiction war gestern


Drohnen zählen zu den unbemannten Luftfahrzeugen, UAV, die privat und gewerblich eingesetzt werden. Privatpersonen nutzen hauptsächlich Kamera­drohnen in Form von Multikoptern und die sorgen für Zündstoff: Neben den sicher­heitsrelevanten Regulatorien sind die Gesetze des Datenschutzes zu beachten, denn nicht überall ist das Filmen oder Fotografieren erlaubt. Die Gesetzes­lage ändert sich fortwährend, eine regelmäßige Information ist notwendig.

Ganz neuartige Anwendungen eröffnen sich beim kommerziellen Einsatz – den größten Diskussionsstoff bietet vermutlich die Paketzustellung via Drohne, Horror­szenarien malen einen Himmel voller Flugobjekte. Unumstritten ist der Einsatz unbemannter Fluggeräte bei der zivilen Sicherheit oder im Katastrophenschutz: eine Brandbekämpfung kann mit UAVs effizienter koordiniert werden als bisher – gleiches gilt für Seenot- oder Bergrettungen. Zukünftig können auch Industrieanlagen von Drohnen überwacht werden, um bspw. Gaslecks aufzuspüren; Machbarkeitsstudien prüfen gar die Verwendung innerhalb großer Fabrikhallen.

Drohnen im Feuerwehr-Einsatz
UAV-Systeme werden schon heute in der Rettung eingesetzt. Beim Feuerwehreinsatz wird im einfachsten Fall der Brandherd lokalisiert - das hilft besonders bei Waldbränden, um Löscharbeiten gezielt zu steuern. Die USA hat bereits positive Erfahrungen gesammelt.
Leben retten sollen die Systeme auch bei Unfällen mit Gefahrguttransporten. Mit Hilfe von Drohnen wird nicht nur die Lage von Verletzten oder Lecks bestimmt, auch Gefahrstoffe lassen sich detektieren und Schadstoffkonzentrationen messen: Mit diesen Daten können Ausbreitungs­prognosen von Schadstoffwolken abgeleitet und die entsprechenden Gegenmaßnahmen koordiniert werden. Die Weiterentwicklung dieser Systeme war Gegenstand des BMBF Forschungs­projekts AirShield.

Sensorik-Herausforderungen professioneller Systeme
UAVs zur privaten Nutzung dürfen grundsätzlich nur mit Sichtkontakt fliegen und müssen sich fern von anderen Flugobjekten halten. Professionelle Drohnen sollen hingegen autonom fliegen, der Anspruch an die Sicherheitssysteme ist entsprechend hoch. Die UAVs müssen jederzeit ihre genaue Position bestimmen und automatisch auf äußere Einflüsse reagieren können. Eine ausgefeilte ­Sensorik ist allein für den reinen Flugbetrieb notwendig.

Sicheres Fliegen
Besonders herausfordernd sind der Start und die Landung bei hohen Wind­geschwindigkeiten. In kürzester Zeit müssen so genannte Verblasungseffekte ausgeglichen werden, was eine sehr genaue Positionsbestimmung mit Zentimeter-­Genauigkeit verlangt. ­Satellitennavigation und Referenzmessungen helfen. Das effektive Gegensteuern klappt durch das Zusammenspiel von Flugrechner mit Navigations- und Luftdatensensoren. Eindrucksvoll hat das die RWTH Aachen bewiesen.

DHL Paketkopter 3.0
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Flugsystemdynamik (der RWTH Aachen), geleitet von Prof. Dieter Moormann, testete DHL Paket Anfang 2016 autonome Streckenflüge in der bayerischen Gemeinde Reit im Winkl. Bei der Zustellung vom Tal auf die Winkelmoosalm wurden erfolgreich 8 km und 500 Höhenmeter ­überwunden und das bei schnell wechselnden Wetterbedingungen und hohen Temperaturschwankungen.
Eilige ­Medikamente konnten innerhalb von 8 Minuten zum DHL Skyport auf der Hochalm zugestellt werden; ein Auto hätte bei winterlichen Verhältnissen über 30 Minuten benötigt.

Während des Flugs ohne Sichtkontakt wurden redundante Sicherungssysteme eingesetzt, ein Datenlink mit hoher Reichweite aufgebaut: Funkverbindung und Mobilfunknetz ermöglichten den Betrieb. Und auch die Zustellung erfolgte intelligent: Die Paketbe- und Entladung erfolgte automatisch und sogar die Akkus wurden getauscht, um den Weiterflug unmittelbar anschließen zu können. Die technische Machbarkeit wurde damit bewiesen, die DHL konnte als weltweit erster Zusteller die umfängliche Integration in die Lieferkette beweisen (dpdhl.de/paketkopter).

Im Dezember 2016 haben weitere Logistikunternehmen nachgezogen: DPD führte Flüge in Frankreich durch, Amazon in Cambridge. Für den täglichen Einsatz müssen vor allem die gesetzlichen Vor­aus­setzungen geschaffen werden und auch die UAVs werden weiter verfeinert.

Zukunftsprojekt Automation
Bei großflächigen Katastrophen sollen Drohnen zukünftig ohne aktive ­Steuerung flugbereit sein, ein vorgegebenes Gebiet selbstständig analysieren und die aufgenommenen Daten weiterleiten. Mögliche Einsatzszenarien sind Nuklear­unfälle oder große Erdbeben, bei denen unter Umständen Straßen zerstört sind oder das Telefonnetz ausfällt. Diese selbst­ständige Gebietsanalyse wird nur in Drohnenschwärmen möglich sein, in denen die einzelnen UAVs miteinander kommunizieren können und ihre Informationen an Boden­stationen weitergeben. Dass ­Drohnen eines Schwarms nicht zusammenstoßen dürfen, versteht sich von selbst.

Kollisionsschutz durch Abstandsmessung

Auch für Cockpits und Triebwerke von Rettungshubschraubern und niedrig fliegenden Passagierflugzeugen stellen UAVs eine große Gefahr dar. Damit die Drohnen anderen Flugobjekten ausweichen können, werden bei autonomen UAVs Abstandssensoren eingebaut – je nach zu messender Entfernung könnten sich dort Radar-Systeme oder auch LIDAR-Systeme durchsetzen. LIDAR Systeme werden vermutlich zusätzlich eine Rolle bei der sogenannten Nahfeldnavigation in der Nähe von Gebäuden für beispielsweise Inspektionsaufgaben oder sogar bei der Navigation innerhalb von Gebäuden spielen.

>> Autonomes Fliegen - Produkte für die Abstandsmessung

>> Abstandsmessung - das kann man im Kopf rechnen!



Was ist eine Drohne?
Ein „unmanned aerial vehicle“, UAV, wird umgangssprachlich Drohne genannt. UAVs sind Flugsysteme, die wie ein normales Flugzeug mit Leitwerken und Flügeln oder als Drehflügler mit einem oder mehreren Rotoren ausgestattet sind. Die größte Anzahl an Drohnen stellen Multikopter mit vier Rotoren.

Kippflügler, die effizienten Drohnen
Unterschieden werden ­Flächenflieger und Drehflügler. Flächenflieger sehen aus wie normale Flugzeuge, als Kippflügler können sie die Flügel abkippen, um senkrecht aufzusteigen. Bei Start & Landung sind sie bei richtig angepasster Flügelstellung unanfälliger bei hohen Winden und haben eine höhere Flugreichweite. Durch die Nutzung der Tragflächen während des Flugs benötigen sie nur etwa 1/5 der Energie eines Multirotor-Systems.


Gefahr durch Drohnen

Bald werden wir den kommerziellen Einsatz autonomer Drohnen erleben, bei denen die UAVs nicht in Sicht­weite des steuernden Piloten fliegen. Eine Herausforderung wird auch das Aufspüren feindlicher Drohnen sein.

So steht nicht nur die intelligente Automation der Flugsysteme im Fokus der Entwicklung: im gleichen Maße wird an der Drohnen-Detektion gearbeitet, um eine zuverlässige Drohnen-Abwehr zu gewährleisten.

Drohnenabwehr
Schon heute überwachen Multi­Sensoren die Lufträume von Gefängnissen, Regierungsgebäuden, Industriebauten oder Stadien (dedrone.com).

Wird eine gefährliche Drohne erkannt, sind verschiedene Abwehr-­Techniken denkbar: es wird daran geforscht, Systeme über elektromagnetische Felder zu übernehmen oder zu zerstören: Eingriffe über Jammer oder Spoofer könnten dazu führen, dass die Drohne zur Startposition zurück fliegt, den ursprünglichen Weg verlässt, landet oder abstürzt. Gegen­drohnen mit Fangvorrichtungen erscheinen weniger praktikabel, denn sie müssten sehr groß sein und gezielt gesteuert werden.

Einen ungewöhnlichen Weg geht die niederländische Polizei: sie bildet derzeit Adler aus, die kleine Drohnen im Flug fangen sollen.
Ein Video dazu finden Sie hier:
youtube.com/watch?v=HifO-ebmE1s


RWTH Aachen

Institut und Lehrstuhl für Flugsystemdynamik

Der Forschungsschwerpunkt des Instituts unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dieter Moormann bilden die flugsystemdynamische Auslegung und Bewertung von unkonventionellen und unbemannten Luftfahrzeugen. Die aktuellen Projekte des Instituts finden Sie auf deren Webseite.


Quelle: Deutsche Post AG; © Andreas Heddergott


© RWTH Aachen


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