Drohnen bordautonom im dichten Verkehr fliegen lassen

Was passiert eigentlich, wenn die Funkverbindung zur Drohne unterbrochen wird? Wie können Drohnen bordautonom auch im dichten Verkehr fliegen? Mit diesen und anderen Fragen hat sich das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in der letzten Phase seines Projekts City-ATM beschäftigt. Die Forschenden konzentrierten sich darauf, Verkehrsszenarien zu untersuchen, in denen eine große Anzahl unterschiedlich ausgestatteter Drohnen gemeinsam und konfliktfrei in einem Luftraum betrieben werden. Ende 2021 fanden am Nationalen Erprobungszentrum für unbemannte Luftfahrtsysteme in Cochstedt die finalen Flugversuche mit mehreren Drohnen statt, bei denen die Forschenden die entwickelten Funktionalitäten demonstrierten.

„Üblicherweise werden Drohnen vom Boden aus gesteuert und kontrolliert. Das klappt beim Hobbypiloten mit einer Funkfernbedienung und bei ständigem Sichtkontakt zur Drohne“, sagt Dr. Alexander Kuenz vom DLR-Institut für Flugführung. „Bei komplexeren Aufgaben für Drohnen kommen Bodenkontrollstationen zum Einsatz, wie sie auch im Projekt City-ATM entwickelt werden.“ Aufgaben einer solchen Bodenkontrollstation sind die Planung, Steuerung und Überwachung der Flüge. So können die Forschenden komplexe Missionen zusammenstellen und planen. Der daraus resultierende Flugweg wird dann zur jeweiligen Drohne geschickt. Der Pilot überwacht vom Boden aus die Durchführung der Mission. Dabei unterstützt ihn das System, indem es unter anderem Konfliktsituationen mit anderem Verkehr erkennt und vermeidet. Die betroffenen Drohnen erhalten dann modifizierte Flugwege. Was aber passiert bei Problemen mit der Bodenkontrollstation, zum Beispiel wenn die Funkverbindung zur Drohne abreißt?

Drohnen müssen im Notfall autonom agieren können

Die Forschenden des Projekts City-ATM statteten für solche Fälle exemplarisch eine Drohne mit neuen Funktionen aus, die den bordautonomen Flug im dichten Verkehr ermöglichen. Eine wichtige Voraussetzung hierfür: die Drohne muss ihre eigene Flugbahn selbständig berechnen und im Bedarfsfall umplanen können. Außerdem erhielt sie ein weltweit einzigartiges 4D-Führungssystem. Dieses erlaubt ihr, einer Flugbahn präzise in den drei räumlichen Dimensionen und zeitlich (vierte Dimension) zu folgen.

So „weiß“ die Drohne im Voraus, wann sie wo sein wird und kann zukünftige gefährliche Annäherungen mit umgebendem Flugverkehr frühzeitig erkennen und sicher und effizient vermeiden. Informationen über den gleichzeitig stattfindenden Flugverkehr, wie beispielsweise die zivile Luftfahrt, andere Drohnen oder Segelflieger, erhält die Drohne im City-ATM-System von einem Tracking-Server der Deutschen Flugsicherung DFS. Der Server sammelt den Verkehr entsprechend, wertet ihn aus und stellt ihn zur Verfügung. „Andere Hindernisse, wie zum Beispiel Bäume, Masten oder Hügel werden von der Drohne über Lidar-Sensoren detektiert, die stetig den Raum vor der Drohne mit 3D-Laser abtasten“, erklärt Kuenz. „Ein Softwaremodul zur Konflikterkennung und -vermeidung an Bord plant den Flugweg der Drohne bei Bedarf um Hindernisse herum.“

Demonstration von gemischtem Drohnenverkehr in Cochstedt

Im Dezember 2021 führten die beteiligten Forschenden am Nationalen Erprobungszentrum in Cochstedt Flugversuche mit mehreren Drohnen durch. Mit der Experimentaldrohne DexHawk konnten dabei neuartige 4D-Führungsfunktionen erfolgreich validiert werden, die Drohne folgte der vorgesehenen Flugbahn präzise. Mit der installierten Lidar-Sensorik tastete die Drohne einen Lichtmast als Beispiel für ein Hindernis ab, das Ergebnis visualisierten die Forschenden zu Kontrollzwecken auf der Bodenkontrollstation. Um das City-ATM-System in einem möglichst dichten Verkehrsszenario zu testen, ergänzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die realen Drohnen vor Ort um virtuelle Drohnen. Die Forschungsdrohne DexHawk sollte in diesem Szenario aus realem und virtuellem Drohnenverkehr selbstständig ihre Mission abfliegen und dabei Konflikte mit dem umgebenden Verkehr erkennen und selbständig vermeiden. Außerdem demonstrierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR-Instituts für Flugsystemtechnik mit einer weiteren Experimentaldrohne ein neues Betriebskonzept, um Flüge außerhalb der Sichtweite des Piloten unter den 2021 neu eingeführten rechtlichen Rahmenbedingungen zu ermöglichen. Dies ist eine wichtige Grundlage für den zukünftigen Betrieb von Drohnen im urbanen Umfeld.

„Temperaturen um den Gefrierpunkt und eisige Winde waren bei den Flugversuchen eine Herausforderung, nicht nur für die Geräte, sondern auch die beteiligten Forscher“, berichtet Kuenz. „Insgesamt war die Kampagne ein erfolgreicher Schritt für die urbane Mobilität von morgen“.

Was heißt „dichter Verkehr“ und wo sind die Grenzen?

Um zu untersuchen, welche Menge an Drohnen mit dem entwickelten City-ATM-System realistisch möglich wäre, berechneten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Dezember in Laborversuchen ein besonders komplexes Szenario mit schwierigen Bedingungen, in dem jede Drohne in eine andere Richtung flog und ein Mindestabstand von 20 Metern zwischen den Drohnen gefordert war. Dabei kamen im Labor zur Konflikterkennung und -vermeidung die gleichen Softwaremodule wie auch in den Flugversuchen zum Einsatz. Es zeigte sich, dass mit den entwickelten Systemen aus City-ATM Flugszenarien möglich sind, bei denen in einem Quadratkilometer auf gleicher Höhe bis zu 85 Drohnen gleichzeitig sicher und effizient operieren können.

Projekt City-ATM erfolgreich beendet

Um das Fundament für ein zukünftiges Luftraummanagement (Air Traffic Management – ATM) im urbanen Luftraum zu legen, arbeiteten in City-ATM die DLR-Institute für Flugführung, Flugsystemtechnik, Kommunikation und Navigation, Luft- und Raumfahrtmedizin, Optische Sensorsysteme und die DLR-Lufttransportsysteme mit mehreren externen Stakeholdern seit 2018 eng zusammen. Darunter sind die Firmen NXP, FlyNex, DFS, KopterKraft und Auterion sowie das Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung. Das Projekt wurde nach ersten Demonstrationen 2019 an der Hamburger Köhlbrandbrücke, Versuchen zu dynamischen Flugverbotszonen in 2020 und der sicheren und effizienten Führung von Drohnen in dichtem Verkehr Ende 2021 erfolgreich abgeschlossen.