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Vom Spielzeug bis zum leistungsfähigsten Militärfluggerät - das Spektrum an unbemannten Fluggeräten – im Volksmund als »Drohnen« bezeichnet, amtlich aber autonom fliegende UAS (Unmanned Aerial Systems) genannt – wächst nahezu endlos. Mit diesem Zuwachs entwickelten sich sowohl der Bedarf an Regulierung als auch die Nutzungsziele der Fluggeräte. Dieser Prozess hat viele Facetten. Zu den Gemeinsamkeiten gehört jedoch, dass eine Gefährdung des offiziellen Luftverkehrs vermieden werden soll. Hierzu werden regionale und internationale Vorschriften bezüglich des zivilen Drohneneinsatzes erarbeitet und vereinbart. Die Zeit der Spielzeug-Drohne scheint somit bereits vorbei zu sein, zurzeit überwiegen in der öffentlichen Wahrnehmung diverse kommerzielle Nutzungsziele.

Ein UAS oder - platt formuliert - eine Drohne - ist physikalisch betrachtet eine Schwebeplattform, die - wie auch Hubschrauber - zur Gruppe der Rotor-angetriebenen Luftfahrzeuge gehört. Zivile Drohnen verfügen über mindestens vier in einer Ebene angeordnete, senkrecht nach unten wirkende Rotoren oder Propeller. Sie werden daher auch als Quadrocopter bezeichnet. Werden mehr Rotoren oder Propeller benutzt, um Auftrieb und durch Neigung der Rotorebene auch Vortrieb zu erzeugen, spricht man auch von Multicoptern oder ähnlichen. Die Quadro- oder Multicopter fliegen inzwischen immer komplexere Manöver. Schwärme dieser Gerätschaften können in der Luft schweben, in Formationen fliegen und autonom selbst komplexe Flugroutinen wie Saltos, Durchfliegen von Zielen und Selbstorganisation in der Gruppe durchführen, wie bei dem abgestimmten Prozess beim Durchqueren eines Fensterrahmens in der Gruppe.

Die Propeller von Drohnen in Quadrocopterbauweise werden meist direkt oder über ein Getriebe durch bürstenlose Gleichstrommotoren oder andere Gleichstrommotoren angetrieben. Diese Antriebe sind am äußeren Ende von Auslegern befestigt. Die elektrische Energie für diese Motoren wird gewöhnlich von Lithium-Polymer-Akkumulatoren bereitgestellt. Durch diese Antriebsart ist trotz geringer Größe der Fluggeräte eine erstaunlich hohe Traglast möglich.

Einen weiterführenden Einstieg in die Technik der Drohnen bietet die Wissensplattform Wikipedia unter https://de.wikipedia.org/wiki/Quadrocopter .

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Aufbau einer Messkampagne für die Vermessung von drei Waldbrand-Hotspots.

Quelle: DLR (CC-BY 3.0).

Drohnen-Einsätze in der technischen Inspektion

 

Zu den häufigsten Drohneneinsätzen gehören die Flüge mit Kameras. Dazu gehören sowohl während des Flugs aufgenommenen fotografische Bildaufnahmen als auch Videoaufnahmen. In der Technikwelt werden diese Funktionen zur Inspektion von unterschiedlichen Objekten genutzt, insbesondere zur Gefahrenabwehr.

Eine solche Anwendung von Drohnen ist z. B. die »Qualitätsüberwachung von solarthermischen Kraftwerken aus der Luft«. Für die Überprüfung von Spiegelfeldern solarthermischer Kraftwerke bezüglich deren Ausrichtung und Formtreue wurde das UAS-Prüfsystem QFly vom DLR-Institut für Solarforschung und der DLR-Unternehmensgründung CSP-Services entwickelt. Dafür wurde die DLR-Innovation QFly mit dem SolarPACES Technology Award ausgezeichnet. Mehr dazu unter http://www.industry-focus.info/Smart-Energy/Regenerative-Energy/Solar/Solarthermie/Solarthermie-1/Solarthermie-2/Soarthermie-3/soarthermie-3.html

Überhaupt ist das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bzw. dessen Institute mit sehr unterschiedlichen Erprobungen von technischen Drohnenanwendungen befasst. Einige werden nachfolgend vorgestellt.

UAS-Forschung im DLR

Zur Bewältigung der beschriebenen Herausforderungen, soll das Nationale Erprobungszentrum für Unbemannte Luftfahrtsysteme eine zentrale Rolle als Wegbereiter für die zukünftige Forschung und Entwicklung hinsichtlich neuer UAS-Technologien im DLR sowie für externe Partner ausüben. Dabei sollen u.a. folgende Themen untersucht werden:

U-space/UTM | Luftraum- und Verkehrsmanagement | UAM – Urban Air Mobility/UAM | Performance-Based Operations | Störrobuste Navigationssysteme | Flight Termination | Geofencing | Detect and Avoid | Alternative Landesysteme | Missionsmanagement | Schwarmführung | Kommunikation und Monitoring | Softwaresicherheit | Cybersicherheit | KI-Qualifikation Integration von UAS in Flughafenbetrieb | UAS-Spezialmissionen | Scaled Demonstrators | Psychologische Auswirkungen von UAS | Systemabsicherung | BVLOS-Flüge | Manned-Unmanned Teaming | u.v.m.

Unbemannte Flugobjekte

 

Das Zeitalter der wirtschaftlichen Nutzung von autonom fliegenden Drohnen hat begonnen, die militärischen Zielsetzungen sind davon nicht betroffen und bleiben weiterhin hinter einem undurchsichtig erscheinenden Dunstschleier verborgen.

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Sommerzeit, Waldbrandzeit - mit fliegendem Kameraschwarm Brände aufspüren:

 

Nicht nur die Sommermonate der letzten beiden Jahre, in denen Deutschland schwitzte mit landesweiten Temperaturen deutlich über 30 °C haben gezeigt, dass Hitze und Trockenheit über längere Zeit die Waldbrandgefahr erhöhen. Diese Konstellation ist nicht nur hierzulande gegeben, wie beispielsweise im Frühsommer 2019 durch große Waldbrände in Brandenburg, sondern global anzutreffen. Insbesondere in Südeuropa sowie im US-amerikanischen Kalifornien gab es zuletzt verheerende Brände von historischen Ausmaßen. Im EU-geförderten Projekt HEIMDALL zeigte das DLR in Flugexperimenten mit einem Drohnenschwarm, dass die mit Kameras und Wärmebildsensoren ausgestatteten Fluggeräte bereits kleine Waldbrand-Hotspots erfassen. Die Drohnen erkunden dabei eine Region selbständig und tauschen Daten miteinander aus.

Bei diesem Projekt führte das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation bereits im März 2019 die ersten Experimente an drei verschiedenen Standorten in Katalonien (Spanien) durch. Ziel des ersten Experiments war die Erkennung eines von der katalonischen Feuerwehr kontrollierten Brands. Durch solche Brände können großflächige Waldbrände verhindert werden. Der Schwarm bestand aus drei autonom fliegenden UAS (Unmanned Aerial Systems) und sammelte geo-referenzierte Daten mit visuellen Kameras und Wärmebildkameras.

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Weitere Experimente zeigten die Erkennung von Waldbrand-Hotspots mit 15 cm bis 1,5 m Durchmesser. Für die Hotspots wurden Holz, Stroh und Sepiolith verwendet. Die verschiedenen Phasen der Hotspot-Dynamik - von der Entzündung bis zum gelöschten Feuers - erfassten die Kameras. Insgesamt wurden bei 19 Flügen 37 verschiedene Hotspots aus Höhen zwischen 30 und 130 m über dem Boden erfolgreich analysiert.

Die Experimente zeigten, dass ein autonom arbeitender Schwarm von Drohnen zur Waldbranderkennung eingesetzt werden kann. Selbst sehr kleine Hotspots von weniger als 15 cm Größe wurden aus 90 m Höhe durch UAS identifiziert. Die gesammelten Daten ermöglichen es, die Algorithmen des DLR zur verlässlichen Erkennung von Waldbrand-Hotspots durch Drohnenschwärme zu verbessern. Die abschließende Demonstration des DLR-Drohnenschwarms ist für März 2020 in Spanien geplant.

 

Schwarm Exploration am DLR-Institut für Kommunikation und Navigation

 

Bereits seit 2014 beschäftigen sich die Experten des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation intensiv mit der Entwicklung und Erprobung von Explorationsalgorithmen für autonome Roboterschwärme. Ziel ist es, diese kooperativ eine Umgebungskarte ohne menschliche Interaktion erzeugen zu lassen. Dafür konzentrieren sich die Arbeiten primär auf die Herausforderungen: Entwicklung neuer Algorithmen und Methoden zur Schwarmexploration sowie Erprobung dieser Algorithmen unter realistischen Bedingungen mit Roboterschwärmen.

Das Projekt HEIMDALL, in dem die Aufgabenstellung auf UAS erweitert wurde und das im Rahmen des Horizont-2020-Programms von der Europäischen Kommission gefördert wird, hat zum Ziel, neue Techniken zur Bekämpfung komplexer Gefahren-Szenarien zu entwickeln und zu testen. Einer der Aspekte ist die Erkennung von Waldbrand-Hotspots mit einem Drohnenschwarm. Dafür wird in HEIMDALL eine flexible Plattform für das Management komplexer Gefahrensituationen entwickelt, die innovative Technologien für Reaktionspläne und zur Notfallmanagement-Unterstützung anbietet.

Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) www.dlr.de

Institut für Kommunikation und Navigation

Bearbeitung: Wolfgang Klinker (WKlinker@outlook.de), freiberuflicher Journalist in Landsberg am Lech

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