Autonome Drohnen in der Industrie: Drohnengesteuertes Scanning


Immer mehr Unternehmen setzen auf Drohnen: Laut einer aktuellen Studie des Bundesverbands der Deutschen Luftverkehrswirtschaft BDL wird der deutsche Drohnenmarkt bis 2025 von 840 Millionen Euro auf über 1,6 Milliarden Euro anwachsen – das entspricht einer jährlichen durchschnittlichen Wachstumsrate von 14,5 Prozent. Diese Entwicklung wird vor allem durch den kommerziellen Markt getrieben. Wird zurzeit in Deutschland nur eine von neun Drohnen gewerbsmäßig betrieben, so wird es 2025 bereits jede dritte Drohne sein.

Entscheidend hierfür sind die rasanten technischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Drohnen-Technologie als auch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von sogenannten „unbemannten Flugobjekten“ – im Englischen auch unter den Begriffen UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) oder auch RPAS (Remotely Piloted Aerial Systems) bekannt. Ihre Vorteile liegen auf der Hand: Kompakt, mobil und präzise liefern Drohnen dank hochauflösender und variabler Kamerasysteme detaillierte Aufnahmen aus verschiedenen Blickwinkeln. Drohnen können darüber hinaus um verschiedenste Funktionen wie zum Beispiel einen GPS-Chip, spezielle Sensor-, Infrarot- oder Messtechnik erweitert werden. Die hochauflösenden Aufnahmen und Daten können als Basis für exakte 3D-Modelle dienen.


Gesteuert werden die mit vier oder mehr Rotoren ausgestatteten Drohnen meist mit Hilfe einer Fernbedienung oder aus einer Steuerungszentrale heraus. Ihr Potential können Drohnen allerdings nur dann voll entfalten, wenn Sie autonom eingesetzt werden können. Doch was genau ist gemeint, wenn von „autonom“ die Rede ist? Wie autonom sind Drohnen zum jetzigen Zeitpunkt?


Die sechs Level der Autonomie


Die autonomen Fähigkeiten von Drohnen lassen sich – vergleichbar zum autonomen Fahren – in verschiedene Stufen oder Level unterteilen. Das Modell der European Cockpit Association ECA basiert auf den Regeln aus der Automobilindustrie nach SAE J3016, die auf UAVs übertragen wurden.



Grundlegend für das Modell ist die Definition des Begriffs Autonomie: Hier wird klar unterschieden zwischen einer autonomen Drohne und einem autonomen Flugmanöver. Eine autonome Drohne erlaubt keinen Eingriff des Menschen in den Flugeinsatz und die Steuerung der Drohne. Sie kann vollständig über ihre Aktionen bestimmen (inklusive Ziel und Route) und ist frei von externer Kontrolle oder Einfluss – Stichwort künstliche Intelligenz. Bei einem autonomen Flugmanöver wird eine Drohne zwar durch einen Menschen gesteuert – allerdings agiert die Drohne während ihres Einsatzes selbstständig. Hier kommt der Begriff Automatisierung ins Spiel: Wie automatisiert eine Drohne ist, hängt immer davon ab, wie viel Automatisierungstechnik eingesetzt wird und wie viel manuelle Steuerung durch den Menschen erforderlich ist. Ein hoher Automatisierungsgrad wird daher auch oft mit dem Begriff „autonomer Betrieb“ gleichgesetzt, weil menschliche Eingriffe auf ein Minimum reduziert werden.


Das Modell der ECA umfasst sechs verschiedene Automatisierungsstufen von 0 bis 5. Die Zahl gibt den Grad der Automatisierung wieder: Von Level 0 – gar keine Automatisierung bis Level 5 – vollständige Automatisierung. Während der Pilot die Drohne in Stufe 0 vollständig manuell steuern muss, wird er in Stufe 1 bereits im Bereich der Kontrolle einer der drei Flugachsen und dem Erkennen von Hindernissen unterstützt. Level-2-Drohnen sind in der Lage auf allen drei Achsen selbstständig zu fliegen und vor Hindernissen zu warnen. Auf Stufe 3 tritt der Mensch in den Hintergrund und die Drohne erledigt Aufgaben selbstständig (beispielsweise Messungen). Hindernisse werden unter definierten Voraussetzungen erkannt und die Drohne weicht diesen selbständig aus. Der Pilot muss auf Systemfehler reagieren und übernimmt bei Bedarf die Kontrolle als Backup. Level 4 repräsentiert bereits eine hohe Automatisierung. Die Drohne ist in der Lage, vorgegebene Aufgaben vollständig allein durchzuführen, während der Mensch den Flug plant und überwacht. Auf Fehler reagiert die Drohne, indem sie auf Backup-Systeme zurückgreift oder Probleme selbstständig löst. Die vollständige Automatisierung auf der fünften Stufe ist gleichzusetzen mit einer autonomen bzw. „smarten“ Drohne – die Drohne ist in der Lage, alle Parameter eines Flugeinsatzes mithilfe künstlicher Intelligenz selbstständig zu planen und auszuführen. Der Mensch erteilt lediglich den Flugbefehl.


Einsatzgebiete für autonom fliegende Drohnen


Die Einsatzgebiete für Drohnen in der Industrie sind vielfältig: Drohnen eignen sich besonders gut für schwer zugängliche Bauwerke und ausgedehntes Gelände. Sie werden für die Beobachtung, Überwachung und Überprüfung von Anlagen und deren Baufortschritt eingesetzt. Inspektionsobjekte können beispielsweise Oberleitungen, Pipelines, Solaranlagen oder auch Windkraftanlagen sein. Für die Planung von Baugebieten, die Trassierung von Verkehrswegen und Versorgungsleitungen und im städtischen Hoch- und Tiefbau werden präzise Vermessungsdaten benötigt. Auch hier kommen Drohnen mit hochauflösenden Kameras und Sensoren bereits zum Einsatz, um zentimetergenaue Geländekarten zu erstellen.


Um den Verlauf der Arbeiten zu dokumentieren, können mit der Drohne zu unterschiedlichen Zeitpunkten immer exakt die gleichen Punkte in derselben Höhe angeflogen werden. Vorgegebene, programmierte Routen können die Drohnen bereits selbständig abfliegen inklusive automatisiertem Start und Landung. Die Mission kann vom Menschen live mitverfolgt werden. Einige Drohnen sind in der Lage, spontan auftretende Hindernisse zu erkennen und ihnen auszuweichen.


Zusätzlich gibt es Drohnen, die ohne satellitengestützte Navigation betrieben werden können. Dies ist unter anderem eine Voraussetzung, um Drohnen in geschlossenen Räumen wie in Fabrikhallen einzusetzen – dort, wo das GPS-Signal versagt. Hier können Drohnen genutzt werden, um die Produktionshallen zu vermessen und so den Fabrikplanungsprozess deutlich zu vereinfachen und zu beschleunigen. Weitere mögliche Aufgaben bilden die Inspektion, Inventur und die Überwachung.


Vergleicht man die genannten Beispiele mit der weiter oben skizzierten Klassifikation der ECA, so wird deutlich: Wenn heute von autonomen Drohnen die Rede ist, sind in der Regel hoch oder vollständig automatisierte Drohnenflüge gemeint. Anders ausgedrückt: Die Drohne kann selbstständig ohne einen Piloten navigieren, fliegen oder schweben und dabei Aufgaben erledigen – beispielsweise indem sie ihre Umgebung scannt. Diese Fähigkeit entspricht dem Level 3 auf der Automatisierungsskala der ECA.


Die Vorteile von Drohnen für die Industrie liegen klar auf der Hand: Sie liefern Daten schneller als herkömmliche Verfahren und das auch in schwer erreichbaren Bereichen. Drohnengestützte Bildauswertung und Vermessung ermöglicht eine Datendichte, die es bisher nicht gab. So können mithilfe von 3D-Laserscanning hochauflösende Punktwolken erstellt werden. Doch wie genau funktioniert die 3D-Vermessung mit Drohnen?


In unserem nächsten Blogartikel stellen wir Ihnen die zwei wichtigsten Technologien vor, die bei der Vermessung mit (autonomen) Drohnen zum Einsatz kommen: Photogrammetrie und LiDAR.