Drohnen: die Lösung für Lieferung, Überwachung und Pendlerverkehr?

1935 wurde die DH.82 Queen Bee, eine pilotenlose, funkgesteuerte Variante der de Havilland Tiger Moth, zum ersten Mal bei der Schulung von Flugabwehrschützen eingesetzt. Der Name „Queen Bee“, deutsch „Bienenkönigin“, gilt weithin als Erklärung, warum unbemannte Luftfahrzeuge heute oft als „Drohnen“ (männliche Bienen) bezeichnet werden.

Seit diesen Anfängen haben Drohnen nicht nur beim Militär wichtige Rollen gefunden, sondern sich auch zunehmend zu leistungsfähigen Hilfsmitteln bei kommerziellen Anwendungen sowie Anwendungen für Behörden und Verbraucher entwickelt. Derzeit werden Drohnen beim Militär, im visuellen Bereich oder zum Transport von Nutzlasten eingesetzt. Nun planen Uber und andere Unternehmen die Einführung von Drohnen für den Personenverkehr.

Dieser Artikel beschäftigt sich damit, wie Drohnen heute und in Zukunft genutzt werden. Wir gehen auf die verschiedenen Anwendungsbereiche ein, in denen sie derzeit zum Einsatz kommen, und diskutieren die integrierten Technologien, die in diesen Bereichen angewandt werden. Außerdem sehen wir uns die nationalen und internationalen Gesetze an, die Auswirkungen auf die Nutzung von Drohnen haben. Anschließend betrachten wir, wie Drohnen für den Passagiertransport skaliert werden können und welche neuen Herausforderungen sich dabei stellen.

Anwendungsbereiche für Drohnen

Drohnen können Lufteinsätze fliegen, die in einem bemannten Flugzeug schwierig oder gar unmöglich wären. Sie bieten deutliche wirtschaftliche Einsparungen und Vorteile für die Umwelt und reduzieren gleichzeitig die Gefahr für Menschenleben. Schon jetzt übertreffen sie bemannte Flugzeuge in Bezug auf Ausdauer, Reichweite, Sicherheit und Kosteneffizienz. Geräte der nächsten Generation werden diesen Abstand jedoch noch weiter ausbauen, da bessere Tarnungsmöglichkeiten, sensorische Fähigkeiten, Nutzlast, Reichweite, autonome Fähigkeiten und Kommunikationsmöglichkeiten hinzukommen. Derzeit wird eine Drohnen-Sensortechnologie entwickelt, die sieben Millionen Quadratkilometer in einem einzigen Flug kartografieren kann – ein Bereich, der fast das gesamte US-Festlandgebiet ohne Alaska umfasst.

Mit ihren wachsenden Fähigkeiten werden Drohnen in immer breiteren und innovativeren Anwendungen eingesetzt, die jeweils mit eigenen Herausforderungen verbunden sind. Während einige Drohnen vielseitig genug sind, um viele Arten von Aufgaben zu erfüllen, sind die meisten stärker spezialisiert und wurden für einen bestimmten Zweck entwickelt.

Zu den typischen Anwendungsbereichen gehören:

• Landwirtschaft
• Frühwarnsysteme aus der Luft
• U-Boot-Abwehr
• Frachtbeförderung
• Kommunikationsrelais
• Umweltschutz
• Ablenkungsmanöver
• Notfallwiederherstellung
• Umweltüberwachung
• Brandbekämpfung

Abb. 1: Drohnen mit Kameras können Brände frühzeitig erkennen und wichtige Informationen über sie liefern

• Geheimdienste
• Meteorologie
• Minensuche und -sprengung
• Rohstoffe
• Personenbeförderung
• Fotografie
• Inspektion von Rohrleitungen
• Aufklärung
• Fernabtastung
• Zeitbereichsmessungen
• Überwachung
• Landvermessung
• Zielkennzeichnung
• Verkehr
• Wildbeobachtung

Drohnenanwendungen – Betriebsbedingte Überlegungen

Drohnen sind in zahlreichen Arten von Geometrien erhältlich, die grob in drei Gruppen eingeteilt werden können: Starrflügler, Helikopter und Multirotor. Die Auswahl der Geometrie und die beste Art der Montage und Ausstattung hängt von der Anwendung ab. Im Folgenden finden Sie einige Faktoren, die Sie bei der Auswahl einer Drohnenlösung berücksichtigen sollten. Sie stammen aus einem Artikel von CMEC, einem Unternehmen, das Akkus für elektrische Drohnen entwickelt und herstellt.

Multirotor-Drohnen sind eine einfache und günstige Möglichkeit, eine kleine Kamera für kurze Zeit in der Luft zu halten. Sie ermöglichen eine gute Kontrolle über Position und Bildausschnitt, sodass sie perfekt für Luftaufnahmen geeignet sind. Sie verfügen jedoch nur über begrenzte Ausdauer und Geschwindigkeit, wodurch sie zur Luftkartografie, langen Dauerüberwachung und Ferninspektion bei Bedarf für Rohrleitungen, Straßen und Stromleitungen nicht geeignet sind.

Obwohl ihre Technologie ständig verbessert wird, sind Multirotoren grundsätzlich ineffizient und verbrauchen viel Strom, da sie ständig gegen die Schwerkraft ankämpfen müssen, um in der Luft zu bleiben. Die derzeitige Akkutechnologie begrenzt elektrische Drohnen auf ca. 20 bis 30 Minuten Flugzeit mit einer leichten Kamera. Verbrennungsmotoren sind nicht geeignet, da sie die schnellen und hochpräzisen Gashebelmanöver, die zur Stabilität notwendig sind, nicht ausführen können.

Im Gegensatz dazu bewerkstelligen Starrflüglerdrohnen, wie Flugzeuge, den Auftrieb mithilfe von Flügeln anstelle von vertikalen Rotoren. Da sie Energie nur für den Vorwärtsflug benötigen, sind sie wesentlich sparsamer im Kraftstoffverbrauch als Multirotoren. Darüber hinaus können in diesen Drohnen Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen, sodass sie oft bis zu 16 Stunden lang in der Luft bleiben können. Sie können größere Strecken zurücklegen, größere Bereiche kartografieren und für längere Zeiträume in der Nähe eines bestimmten Ortes bleiben, der näher überwacht werden soll.

Starrflügler haben jedoch auch Nachteile. Sie können nicht ortsfest in der Luft schweben und sind daher für Luftaufnahmen nicht geeignet. Start und Landung sind anspruchsvoller, da sie eine Startbahn oder ein Katapult zum Start und eine Landebahn, einen Fallschirm oder ein Netz zur Landung benötigen. Nur sehr kleine Starrflüglerdrohnen können aus der Hand gestartet werden und eine „Bauchlandung“ auf offenem Feld machen. Diese Arten sind außerdem teurer und ihre Bedienung ist schwieriger zu erlernen.

Einzelrotor-Helikopter sind eine weitere Option. Während eine Multirotor-Drohne von mehreren Rotoren in der Luft gehalten wird, übernimmt beim Helikopter nur ein Rotor diese Aufgabe. Daneben gibt es am Heck einen weiteren Rotor, der die Flugrichtung steuert. Helikopter sind effizienter als Multirotoren und haben eine noch größere Ausdauer. Auch hier können Verbrennungsmotoren für den Antrieb verwendet werden. Eine Regel der Aerodynamik besagt, dass mit höherer Größe und geringerer Drehzahl die Effizienz der Rotorblätter steigt. Das ist der Grund dafür, dass ein Quadcopter (mit vier Rotoren) effizienter ist als ein Octocopter (mit acht Rotoren), und warum besonders ausdauerfähige Quadcopter einen großen Propellerdurchmesser haben. Einzelrotor-Helikopter können sehr lange Rotorblätter haben, die eher Drehflügeln als Propellern ähneln. Dadurch wird eine hohe Effizienz erzielt.

Einzelrotor-Helikopter sind ideal, wenn die Drohne mit einer schweren Nutzlast wie z. B. einem LIDAR-Laserscanner ortsfest schweben soll, oder für den Schwebeflug in Kombination mit hoher Ausdauer oder schnellem Vorwärtsflug. Zu den Nachteilen zählen ihre Komplexität, die hohen Kosten, Vibration und die erheblichen Sicherheitsrisiken, die ihre langen, rotierenden Rotorblätter darstellen. Sie können ortsfest schweben, womit ihre Bedienung leicht zu erlernen ist und sie einfach in der Handhabung sind. Sie sind aber nicht so stabil wie Multirotor-Drohnen und werden bei unsanften Landungen leichter beschädigt. Darüber hinaus bringt Ihre mechanische Komplexität einen hohen Wartungsaufwand mit sich.

Eine neue Alternative, die als „Fixed-Wing Hybrid VTOL“ bezeichnet wird, kombiniert die Vorteile des Starrflüglers mit der Fähigkeit, vertikal zu starten und zu landen sowie ortsfest in der Luft zu schweben. Diese Konzepte wurden in den 50er- und 60er-Jahren bei bemannten Flugzeugen ausprobiert, waren jedoch zu komplex und zu schwer zu fliegen. Durch moderne Autopiloten, Gyroskope und Beschleunigungsmesser rücken sie jedoch nun in den Bereich des Machbaren. Der Autopilot sorgt für Stabilität, wodurch der menschliche Pilot die einfachere Aufgabe übernehmen kann, das Flugzeug durch die Luft zu bewegen.

Die relativen Vorteile der einzelnen Drohnenarten sind in der Tabelle in Abbildung 2 zusammengefasst.

Abb. 2: Vergleichstabelle für Drohnen – Bild via Australian UAV

Drohnen in der Gesetzgebung

Neben der Technologie ist auch die Gesetzgebung ein einschränkender Faktor für das Wachstum der Branche. Unsicherheit beeinträchtigt die Innovation und die kommerzielle Akzeptanz, jedoch wird erwartet, dass die gesetzlichen Vorschriften demnächst geklärt werden und sich in der Folge die Nachfrage erhöht. Die NASA treibt ein Projekt in Höhe von mehreren Milliarden Dollar voran, bei dem es um die Entwicklung eines US-Luftraummanagementsystem geht. Dieses soll dazu in der Lage sein, bemannte wie unbemannte Flüge sicher zu koordinieren. Zudem wird erwartet, dass die US-Luftfahrtbehörde FAA Einschränkungen, die bisher verhindern, dass kommerzielle Drohnen ihr volles Potenzial ausschöpfen, weiter lockern wird.

Die derzeitigen FAA-Vorschriften beschränken Drohnen auf Flughöhen unter 120 Meter und verlangen, dass sie in der Sichtlinie des Piloten bleiben. Ein eigenständiger Betrieb ist nicht zulässig. Sie dürfen nicht über Personen betrieben werden und müssen von einer Person mit einem Pilotenschein für ferngesteuerte Flüge geflogen werden.

In Europa hat die Europäische Agentur für Flugsicherheit EASA die Stellungnahme 01/2018 veröffentlicht, die einen Vorschlag für eine neue Verordnung für den Drohnenbetrieb mit drei Kategorien umfasst:

• Die Kategorie „Offen“ ist eine Kategorie des Drohnenbetriebs, die unter Berücksichtigung der damit verbundenen Risiken weder eine vorherige Genehmigung durch die zuständige Behörde erfordert noch vom Drohnenbetreiber deklariert werden muss, bevor der Flug durchgeführt wird.
• Die Kategorie „Spezifisch“ ist eine Kategorie des Drohnenbetriebs, die unter Berücksichtigung der damit verbundenen Risiken eine Genehmigung durch die zuständige Behörde erfordert, bevor der Flug durchgeführt wird. Dabei werden in einer Betriebsrisikobewertung identifizierte Maßnahmen zur Risikominderung berücksichtigt. Ausnahmen bilden bestimmte Standardszenarien, in denen eine Deklaration durch den Betreiber ausreicht, oder Fälle, in denen der Pilot über eine Betriebslizenz für leichte Drohnen mit den entsprechenden Berechtigungen verfügt.
• Die Kategorie „Zertifiziert“ ist eine Kategorie des Drohnenbetriebs, die unter Berücksichtigung der damit verbundenen Risiken erfordert, dass die Drohne über eine Zertifizierung, der Pilot über eine Fernsteuerungslizenz und der Betreiber über eine Genehmigung der zuständigen Behörde verfügt, damit ein angemessenes Sicherheitsniveau gewährleistet werden kann.

Jedes europäische Land verfügt über eine eigene Luftfahrtbehörde, deren Vorschriften zusätzlich zu allen anwendbaren europäischen Gesetzen gelten. In Großbritannien wird diese Rolle von der Civil Aviation Authority (CAA) übernommen, deren Ziel darin besteht sicherzustellen, dass alle unbemannten Flugzeugsysteme („Unmanned Aircraft Systems“, UAS) vollständig und sicher in das gesamte Luftfahrtsystem in Großbritannien integriert sind. Wie viele und welche CAA-Vorschriften für eine Drohne gelten, hängt von folgenden Parametern ab:

Art des Betriebs: Innerhalb der Sichtlinie (VLOS, „Visual Line of Sight“) oder jenseits der Sichtlinie (BVLOS, „Beyond Visual Line of Sight“) der Person, die das Flugzeug fliegt

Zweck des Fluges: Freizeit, gewerblich oder privat/nicht gewerblich

Gewichtskategorie (Masse):

• 20 kg oder leichter (kleine unbemannte Flugzeuge): Diese Klasse deckt alle Arten einschließlich herkömmlicher ferngesteuerter Modellflugzeuge, Helikopter oder Gleitflugzeuge sowie die zunehmend beliebten Multirotor-Drohnen und ferngesteuerte Spielzeugflugzeuge ab. Für sie gilt in der Regel ein geringeres Maß an Regulierung, das in angemessenem Verhältnis zum Risiko und zur Komplexität oder zu den Betriebsarten stehen soll.
• 20 bis 150 kg (leichte unbemannte Flugzeuge): Diese Klasse deckt die größeren und möglicherweise komplexeren Arten von unbemannten Flugzeugen und großen Modellflugzeugen ab. Sie unterliegen allen Aspekten des britischen Luftfahrtrechts, obwohl akzeptiert wird, dass sie von vielen der Anforderungen ausgenommen werden müssen.
• Über 150 kg: Unbemannte Flugzeuge innerhalb dieser Klasse unterliegen in der Regel dem gleichen Niveau behördlicher Genehmigung wie herkömmliche, bemannte Flugzeuge. Sie werden normalerweise von der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA) zertifiziert.

Im Mai 2018 führte die britische Regierung neue Gesetze ein, die für bessere Sicherheit bei allen Drohnenflügen sorgen sollen. Drohnen dürfen eine Flughöhe von 120 Meter nicht mehr übersteigen und müssen einen Abstand von einem Kilometer zu Flughäfen halten. Darüber hinaus müssen sich die Drohnenbenutzer registrieren lassen und Online-Sicherheitstests ablegen, um die Verantwortlichkeit zu verbessern.

Passagierdrohnen für Pendler und Lufttaxis

Angesichts der Fortschritte bei der Gesetzgebung und den oben genannten Technologien wurde für den Zeitraum von 2016 bis 2020 eine Marktchance von 100 Milliarden US-Dollar für Drohnen in Militär-, Nutzlast- und Sichtanwendungen prognostiziert. Viele Unternehmer und Ingenieure auf der ganzen Welt drängen jedoch auf eine noch spannendere Entwicklung: Sie wollen Drohnen für den Personenverkehr nutzen. In und um die meisten Großstädte herum steigt das Verkehrsvolumen ständig, und Straßenfahrten sind für Pendler und Taxifahrer zunehmend frustrierend und zeitraubend. Wäre es da nicht großartig, wenn wir mithilfe von Drohnen nach oben ausweichen könnten?

Um das zu einer umsetzbaren und sicheren Option zu machen, ist eine erhebliche Weiterentwicklung der Drohnentechnologie, der Gesetzgebung und der Infrastruktur erforderlich. Hier zeichnen sich jedoch Fortschritte ab und es werden detaillierte Pläne entwickelt, um diese Herausforderungen anzugehen. Im September 2017 hat Dubai den ersten Test eines Drohnen-Taxidienstes durchgeführt, der sich hoffentlich zu einem brauchbaren Transportsystem in der Stadt entwickeln wird. Der Test umfasste eine Volocopter-Drohne mit zwei Sitzen und 18 Rotoren, die fünf Minuten lang über den Sandstrand an der Golfküste flog.

Abb. 3: Volocopter-Passagierdrohne – Bild via Volocopter

Volocopter, der Hersteller der Drohne, hofft darauf, Taxis innerhalb von vier Jahren in Betrieb nehmen zu können. „Vorgesehen ist, dass Sie über eine App auf Ihrem Smartphone einen Volocopter zu einem Voloport in Ihrer Nähe bestellen“, erklärt Chief Executive Florian Reuter.

„Der Volocopter kommt dorthin, nimmt den Fahrgast selbsttätig auf und bringt ihn an sein Ziel.“

Eine Reihe weiterer Unternehmen, darunter Airbus und mehrere Tochtergesellschaften, beschäftigen sich mit der Forschung auf dem technologischen Gebiet der selbstfliegenden Drohnen. Das chinesische Unternehmen Ehang hat die sogenannte 184 eingeführt, die mit einer Akkuladung einen einzigen Passagier bis zu 23 Minuten lang transportieren kann, was einen Flugradius von ca. 16 Kilometern ermöglicht.

Uber entwickelt im Rahmen der Initiative „Uber Elevate“ Pläne für Passagier-Drohnentechnologie und die Infrastruktur zur Unterstützung eines Lufttaxidienstes.

Abb. 4: Uber-Drohne und Vertiport – Bild via Uber

Das Konzept basiert auf einem Netzwerk von kleinen, elektrischen Flugzeugen, die vertikal starten und landen („Vertical Take-Off and Landing“, VTOL) und einen schnellen, zuverlässigen Transport zwischen Vororten und Stadtzentren und letztendlich auch innerhalb der Stadtzentren ermöglichen.

Das VTOL-Flugzeug könnte durch eine städtische VTOL-Infrastruktur mit „Vertiports“ ergänzt werden, die auf entsprechend umgebauten Dächern von Parkhäusern, bereits bestehenden Helipads und sogar auf ungenutztem Land neben Schnellstraßen Platz finden würden. Diese Vertiports würden mehrere Start- und Landeplätze sowie Ladeeinrichtungen umfassen. Die Infrastruktur könnte auch um „Vertistops“ erweitert werden, die Platz für nur ein Flugzeug und eine minimale Ausstattung bieten.

Uber ist überzeugt, dass sich VTOLs langfristig zu einer erschwinglichen Form des täglichen Massentransports entwickeln werden, die sogar preiswerter als ein eigenes Auto sein kann. Wenn sich VTOLs im bedarfsorientierten Stadttransport bewähren und eine leise, schnelle, saubere, effiziente und sichere Transportmethode zur Verfügung stellen, eröffnet sich ein Weg für hohe Produktionsvolumen und die damit verbundenen niedrigeren Kosten pro Einheit. Das kann besonders in der Anfangsphase beim Mitfahrmodell und der Kostenamortisierung hilfreich sein.

Der Erfolg dieser ehrgeizigen Vision hängt von der effektiven Zusammenarbeit zwischen den Hauptbeteiligten am VTOL-Ökosystem ab: Aufsichtsbehörden, Fahrzeugdesignern, Gemeinden, Städten und Netzwerkbetreibern. Uber ist zu dem Schluss gekommen, dass die Markteinführung des bedarfsorientierten Lufttransports in Städten von der Lösung der folgenden Herausforderungen abhängig ist:

Zertifizierungsprozess: Bevor VTOLs in einem Land betrieben werden können, müssen sie die Vorschriften der Luftfahrtbehörden erfüllen. Dazu gehören die US-amerikanische Federal Aviation Administration (FAA) und die Europäische Agentur für Flugsicherheit (EASA), die 50% bzw. 30% der weltweiten Luftfahrtaktivität regulieren.

Akkutechnologie: Wie bereits diskutiert, hat der elektrische Antrieb viele wünschenswerte Eigenschaften, die ihn zur bevorzugten Antriebsoption für die VTOL-Flugzeuge machen. Akkus sind die offensichtliche Energiequelle. Es sind jedoch Verbesserungen in mehreren Schlüsselbereichen erforderlich, damit sie hier wirklich in Frage kommen: Energie pro Gewichtseinheit, Ladestrom, Lebensdauer und Kosten pro Kilowattstunde. Eine Zusammenarbeit zwischen dem US-Energieministerium und Universitätslabors konzentriert sich auf Lithium-Metall-Lösungen. Auch auf dem Gebiet der Impulsladegeräte wird weiter geforscht, da sich mit ihnen die Ladezeiten erheblich verkürzen könnten.

Fahrzeugeffizienz: Der Betrieb von Rotorhelikoptern ist nicht so effizient wie der von Starrflüglern, da der Flügelauftrieb effizienter ist. Die Effizienz muss verbessert werden, damit VTOL-Flugzeuge kommerziell nutzbar werden.

Fahrzeugleistung und -zuverlässigkeit: Die Fahrzeugleistung bezieht sich auf die Reisegeschwindigkeit und Start- und Landezeit, und die Systemzuverlässigkeit wird in Form der Zeit von der Anfrage bis zur Abholung gemessen. Die Belastbarkeit bei unterschiedlichen Wetterbedingungen ist ebenfalls problematisch, da schlechtes Wetter spontan einen großen Anteil der Flugzeugflotte aus dem Verkehr ziehen könnte.

Flugsicherung: Der städtische Luftraum ist bereits offen, und mit den bereits vorhandenen Flugsicherungssystemen könnte ein VTOL-Service eingeführt und sogar auf Hunderte von Flugzeugen skaliert werden. Im Rahmen der Sichtflugregeln dürfen Piloten unabhängig von der Flugsicherung fliegen, und bei Bedarf können sie mit den Instrumentenflugregeln vorhandene Flugsicherungssysteme nutzen. Ein erfolgreicher, optimierter, bedarfsorientierter städtischer VTOL-Betrieb erfordert jedoch eine deutlich höhere Frequenz und Luftdichte von Flugzeugen, die gleichzeitig über Ballungsgebieten betrieben werden. Um diesen exponentiellen Anstieg der Komplexität zu bewältigen, werden neue Flugsicherungssysteme benötigt. Nach Vorstellungen von Uber wird diese Komplexität durch ein System gehandhabt, das quasi Serveranforderungen ähnelt und Konflikte im globalen Verkehr lösen kann, während gleichzeitig Drohnen und VTOLs alle potenziellen lokalen Konflikte durch Regeln wie beim Sichtflug untereinander lösen, selbst bei widrigen Wetterverhältnissen.

Kosten und Erschwinglichkeit: Helikopter, die nächstbeste Lösung nach den vorgeschlagenen VTOL-Lösungen, sind zu teuer und zu laut, um in der Stadt im großen Maßstab eingesetzt zu werden. Uber schlägt einfachere, leisere und effizientere Flugzeugdesigns vor, die digitale Steuerung statt mechanischer Komplexität nutzen. Das könnte durch Größeneinsparungen eine positive Rückkopplung auslösen und für Kosten- und Preissenkungen sorgen.

Sicherheit: Uber beschreibt Pläne, mit denen sichergestellt werden soll, dass VTOLs doppelt so sicher wie privat betriebene Fahrzeuge sind (also nur halb so viele Todesfälle verursachen).

Fluglärm: Der elektrische Antrieb ist entscheidend, um den Geräuschpegel so gering zu halten, dass er für die betroffenen Gemeinden akzeptabel ist.

Emissionen: Fahrzeuge mit Elektroantrieb setzen beim Betrieb keinerlei Emissionen frei. Es bleibt die Frage, wie der Strom zum Aufladen der VTOL-Akkus erzeugt wird. Derzeit geschieht dies noch weitgehend mit Kohle, Erdgas und Erdöl. Vertiport-/Vertistop-Infrastruktur in Städten: Das größte Hemmnis für die Bereitstellung einer VTOL-Flotte in Städten ist ein Mangel an ausreichenden Standorten für Landeplätze, die leicht zugänglich sind und Ladestationen aufnehmen können. Der Uber-Bericht erörtert, wie die Infrastruktur entwickelt werden könnte, um dieses Problem zu lösen.

Pilotenschulung: Die Ausbildung zum kommerziellen Piloten ist anspruchsvoll und zeitaufwändig, und es ist zu erwarten, dass ein Mangel an qualifizierten Piloten das Wachstum erheblich bremsen wird. Piloten-Augmentierungstechnik reduziert die Anforderungen an die Fähigkeiten des Piloten erheblich, und das könnte zu einer angemessenen Verkürzung der Ausbildungszeiten führen.

Möglichkeiten von VTOL aus der Sicht von NASA und FAA

Die NASA und die FAA haben vor Kurzem eine Reihe von On-Demand-Mobilitäts- (ODM)-Workshops angestoßen, um das VTOL-Ökosystem zusammenzubringen und Hindernisse bei der Einführung eines bedarfsorientierten VTOL-Service zu identifizieren. Die Workshops kamen generell zu den gleichen Ergebnissen wie Uber.

So bauen Sie eine Drohne

Wenn Sie Ihre eigene Drohne konstruieren möchten, erklärt Coleman Benson in einem Tutorial bestehend aus acht Lektionen, wie das funktioniert. Das Tutorial können Sie auf der Website von RobotShop ansehen. Im Folgenden werden die behandelten Themen zusammengefasst:

Terminologie: Das Tutorial beginnt mit einer Referenzliste der Terminologie, die Definitionen der verschiedenen Drohnengeometrien umfasst.

Rahmen: Der erste Schritt bei der Drohnenkonstruktion ist die Auswahl des Rahmens. Er kann entweder aus einem Drohnen-Rahmenkit oder ganz im Eigenbau konstruiert werden. Zu den Geometrieoptionen zählen:

• Tricopter: Jeweils drei Arme mit einem Motor
• Quadcopter: Jeweils vier Arme mit einem Motor
• Hexacopter: Jeweils sechs Arme mit einem Motor
• Y6: Drei Arme, jeweils mit zwei Motoren, einer oben und einer unten; alle Propeller richten den Schub nach unten
• Octocopter: Jeweils acht Arme mit einem Motor
• X8: Wie ein Y6, aber mit vier Armen, jeweils mit zwei Motoren

Die Größe muss ebenfalls festgelegt werden. Für Hobbyflieger liegt der beste Größenbereich für Vielseitigkeit und ein gutes Preis/Leistungsverhältnis zwischen 350 mm und 700 mm; gemessen wird hierbei der Durchmesser des größten Kreises, der alle Motoren schneidet. Auch über die Baumaterialien muss entschieden werden: Holz, Schaumstoff, Kunststoff, Aluminium oder andere.

Weiter Überlegungen umfassen:

• Kardanring zur Anbringung und Stabilisierung von Kameras
• Nutzlast: Das zusätzliche Gewicht muss berücksichtigt werden, und die Last muss gegen eine Verlagerung während des Fluges gesichert werden.
• Fahrwerk
• Montageplatte

Abb. 5: Tricopter – Bild via flickr

Antrieb: Ein komplettes Antriebssystem umfasst Motoren, Propeller, elektronische Drehzahlregler und einen Akku. Fast alle kleinen Multirotor-Drohnen verfügen über einen Elektroantrieb; benzinbetriebene Drohnen sind äußerst selten.

Bürstenlose Gleichstrommotoren werden im Hobby-Fernsteuerungsbereich für Produkte von Helikoptern und Flugzeugen bis hin zum Antriebssystem bei ferngesteuerten Autos und Booten eingesetzt. Kleinere Drohnen (in der Regel in der Größe der Handfläche) nutzen tendenziell kleine Bürstenmotoren, da sie preiswerter sind und eine einfachere Zweidrahtsteuerung verwenden. Die wichtigsten Parameter für Motoren sind kV-Nennwerte (Drehzahl für eine bestimmte Spannung) und Schubkraft in kg, lb oder N.

Zu den Propellerparametern zählen Anzahl und Durchmesser der Rotorblätter, Steigung, Anstellwinkel, Effizienz und Schub, Drehsinn (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn), Material, Faltung, Befestigung, Propellerschutz und Auswuchtung.

Ein elektronischer Drehzahlregler („Electronic Speed Controller“, ESC) steuert die Drehzahl und Richtung eines Motors. Der ESC muss in der Lage sein, die maximale Stromstärke zu bewältigen, die der Motor verbrauchen könnte, und den Strom mit der richtigen Spannung zu liefern.

Die meisten Akkus sind LiPo-Akkus (Lithium-Polymer) oder möglicherweise Lithium-Mangan oder eine andere Lithiumvariante. LiPo-Akkus bieten eine hohe Kapazität bei geringem Gewicht, zusammen mit hohen Entladungsraten. Sie sind jedoch vergleichsweise teuer und haben einige Sicherheitsprobleme.

Flugsteuerung: Eine Flugsteuerung für eine Multirotor-Drohne ist eine integrierte Schaltung, die normalerweise aus einem Mikroprozessor, Sensoren und Eingangs-/Ausgangsstiften besteht. Eine fertig gekaufte Flugsteuerung ist nicht in der Lage, Ihren spezifischen Drohnentyp oder ihre Konfiguration zu erkennen. Daher müssen Sie bestimmte Parameter in der Software festlegen und die fertige Konfiguration auf die Platine hochladen.

Flugsteuerungen für Multirotor-Drohnen werden an alle oder einen Teil der unten aufgeführten Sensoren angeschlossen.

• Beschleunigungsmesser: Misst die Beschleunigung auf bis zu drei Achsen und hilft bei der Stabilisierung der Drohne.
• Gyroskop: Misst die Rate der Winkeländerung auf bis zu drei Winkelachsen.
• Trägheitsmesseinheit („Inertia Measurement Unit“, IMU): Eine kleine Platine, die einen Beschleunigungsmesser und ein Gyroskop enthält. Sie kann zusätzliche Sensoren wie z. B. ein Dreiachsen-Magnetometer umfassen.
• Kompass/Magnetometer: Ein elektronischer Magnetkompass misst das Magnetfeld der Erde und bestimmt daraus die Himmelsrichtung der Drohne (in Bezug auf den magnetischen Nordpol). Dieser Sensor ist fast immer vorhanden, wenn das System über GPS-Eingabe verfügt.
• Druck/Barometer: Liefert genaue Messwerte der Drohnenhöhe.
• GPS: Bestimmt die geografische Lage der Drohne anhand von Signalen, die von Satelliten in der Erdumlaufbahn stammen.
• Abstandssensoren: Messen die Entfernung vom Boden – oder von Hügeln, Bergen oder Gebäuden –, um das Risiko einer Kollision zu minimieren. Abstandssensoren nutzen Lidar-, Laser- oder Ultraschalltechnologie.

Abb. 6:Evaluationsboard STEVAL-FCU001V1, vollständiger Flug-Controller für Spielzeugdrohnen, Flugsensoren, Bluetooth – erhältlich bei Farnell

Ein Fernbedienungssender und -empfänger ist erforderlich, damit der Betreiber die Drohne steuern kann. Üblicherweise wird ein Handsender mit mindestens vier Kanälen verwendet, nämlich:

• Steigung (was in die Vorwärts-/Rückwärtsbewegung übersetzt wird)
• Höhe (näher am oder weiter weg vom Boden)
• Gieren (Drehung im oder gegen den Uhrzeigersinn)
• Rollen (Bewegung nach links und rechts)

Zusätzliche Kanäle können Folgendes umfassen:

• Ein-/Ausschalten der Motoren
• Kardanringsteuerung (Schwenken nach oben/unten, Drehen im / gegen den Uhrzeigersinn, Zoom)
• Ändern der Flugmodi (Akrobatikmodus, stabiler Modus usw.)
• Aktivieren/Abwerfen einer Nutzlast, eines Fallschirms, eines Summers oder eines anderen Geräts
• Jegliche anderen Verwendungszwecke

Montage: Das Montage-Tutorial enthält praktische Informationen zum Zusammenbau von Rahmen, Motoren, ESCs, Propeller, Akku, Ladegerät, Leistungsverteilung, Flugsteuerung und Kommunikationsgerät. Es geht auch auf Fehler ein, die es zu vermeiden gilt.

Integration der Komponenten: Einrichtung und Konfiguration der zusammengebauten Komponenten

Ich-Perspektive („First Person View“, FPV) und Langstrecken-Perspektive: Dieses Tutorial enthält eine Einführung in die Konzepte der Ich-Perspektive (FPV) und der Langstreckensteuerung. Für FPV wird derzeit eine Videokamera an der Drohne angebracht, die Video in Echtzeit an den Piloten sendet. FPV-Systeme funktionieren mit 3D/VR-Headsets (den sogenannten „Head Mounted Displays“) von Oculus Rift, Samsung, Gear, Morpheus und anderen Herstellern.

Abb. 7: Drohnen-FVP-Headset – Bild via Pixabay

Flugzeug: Bei einigen Anwendungen ist ein Starrflügler dem Multirotor-Ansatz vorzuziehen. In diesem Tutorial werden die zwei Konstruktionsgeometrien verglichen.

Zusammenfassung und Abschluss

In diesem Artikel wurden die Konzepte des Drohnenbetriebs und der Konstruktion vorgestellt und bereits vorhandene und potenziell mögliche Anwendungen untersucht. Dazu zählte eine nähere Untersuchung der spannenden und etwas – aber nicht gänzlich – futuristischen Möglichkeiten und Herausforderungen von Passagierdrohnen.

Zum Abschluss listen wir alle Faktoren in Bezug auf Drohnen und den Drohnenflug auf. Es würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, alle diese Aspekte im Detail zu behandeln. Die Liste kann jedoch als Grundlage für weitere Recherchen dienen. Sie basiert auf einem Artikel mit dem Titel „Drone Technology“, den Ian Burns von ATIP Law verfasst hat.

Start- und Bergungssysteme

Abb. 8: Scan Eagle-Katapult – Bild via Wikipedia