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Grundlagen für städtische Überwachungs-Drohnen

Dieser Text ist im Cache von metaowl.de - das Original ist hier zu finden.
Dem Beitrag Autonome UAV-Schwärme für die permanente Überwachung vom 1. Oktober 2006 über die Projekte und Experimente zu unbemannten Überwachungs-Quadrokoptern, die autonom im Schwarm operieren, hatte ich ein "Science Fiction" Szenario ans Ende gestellt.

Eines Tages könnten autonome UAV-Schwärme im Dienst der Polizei von ihren Docking-Stationen aufsteigen, ihre Überwachungsmissionen durchführen, danach selbsttätig wieder landen und sich aufladen lassen, um erneut in den Himmel zu steigen. UAV-Schwärme, die quasi im Schichtdienst sich gegenseitig abwechseln, könnten so zu einer permanenten Videoüberwachung größerer Stadtgebiete aus der Luft beitragen.

Es geht also um die Möglichkeit einer permanenten Videoüberwachung aus der Luft mittels Drohnen, die nicht nur im Rahmen militärischer Einsätze auf eher weitflächige Gelände anwendbar ist, um zum Beispiel feindliche Truppenbewegungen zu verfolgen und Geschützstellungen zu erkennen, sondern auch im Rahmen polizeilicher und militärischer Maßnahmen permanent in bzw. über Städten zur präventiven Gefahrenerkennung und -abwehr Anwendung findet.

Der New Scientist wies im Artikel 'Perching' aircraft train for tricky landings vom 23. November 2007 auf zwei Forschungsprojekte am Georgia Institute of Technology und am Massachusetts Institute of Technology hin, die sich auf Manövrier- und Landefähigkeiten der Roboter-Drohnen beziehen und deren Resultate wichtig für den zukünftigen Einsatz gerade in Stadtgebieten sein werden. Warum?

Im Gegensatz zum offenen Gelände sind Städte durch ihre Architektur durch sehr unterschiedliche Frei- bzw. Engräume gekennzeichnet. Je nach Stadt wechseln sich Wohnblöcke mit einzeln stehenden Wohnhäusern und Wolkenkratzerkomplexen ab. Es gibt geradlinige Straßenzüge, verwinkelte Straßenführungen oder Straßenschluchten. Es gibt Flachdächer, Schrägdächer oder gar keine planen Dachflächen.

Daraus ergeben sich für Roboter-Drohnen die Anforderungen, ein sehr heterogenes Umfeld blitzschnell "erkennen", sehr schnelle und komplexe Flugmanöver in begrenzten Flugräumen und -korridoren ausführen und auf unterschiedlichsten Plattformen landen zu können. Entweder, um von dort stationär länger dauernde Überwachungsmissionen zu erfüllen oder Energieressourcen zu regenerieren bzw. zu schonen. Bei Großstädten und Mega-Cities, die sich über Kilometer erstrecken, kommt die Anforderung hinzu, größere Distanzen überwinden zu müssen, wenn es nicht an jeder Straßenecke eine polizeiliche "Service-Station" gibt.

Die Techniken, die an den beiden Universitäten für Drohnen entwickelt werden, könnten in Zukunft für alle Probleme Abhilfe schaffen.

Das Projekt zur Kunstflug-Forschung am Georgia Institut um Dr. Eric Feron, finanziert von der Forschungsabteilung der U. S. Navy, beschäftigt sich seit 2002 mit Experimenten zur Optimierung der automatischen Landung unbemannter Klein-Helikopter bei ungewöhnlichen Fluglagen (PDF).

Helikopter-ähnliche bzw. Fluggeräte mit horizontalen Rotoren spielen unter den mittelgroßen und Mini-Drohnen, die keine großflächigen Langstreckenmissionen erfüllen, sondern im begrenztem Raum operieren, eine wichtige Rolle, weil sie wie Senkrechtstarter aus einer gegebenen Position aufsteigen und landen können, ohne eine Landebahn zu benötigen und weil sie über längere Zeit im Stillstand über einem Gebiet verharren können. Das Problem ist nur, dass sie wie die großen Helikopter zur Landung eine nahezu plane Fläche benötigen bzw. eine Fläche mit einer maximalen Neigung von 20° und zusätzlich das Fingerspitzengefühl des menschlichen Piloten, was ihre Manövrier- und Landefähigkeiten in Stadtgebieten erheblich einschränkt.

Was den Wissenschaftlern nun gelungen ist: Der automatische Anflug und die automatische Landung eines Mini-Helikopters auf einer Fläche mit einer Neigung von 60°, was eine Drohne eines Tages in den Stand versetzen könnte, auf allen Fläche mit starker Neigung landen zu können, wie es "Vögel und Fledermäuse" auch können, wie Feron sagt, was auch die Landung auf sich bewegenden Objekten wie Kraftfahrzeugen in Städten ermöglicht. Der Drohne würde sich so ein größere Bandbreite von Landeplattformen bzw. Überwachungsstandorten erschließen und sie in die Lage versetzen, größere Distanzen energieschonend huckepack auf fahrenden Objekten zu überwinden.
Mini-Helikopter

Landeschema

Mini-Helikopter mit LED-Sensoren und Landeschema (Video).
Auch wenn die automatisierte Landung von Rotor-Fluggeräten auf einer Fläche mit bis zu 60° einen großen Fortschritt darstellt, muss man den experimentellen Kontext des Erfolgs berücksichtigen. Bei den Anflug- und Landemanövern bediente sich das Team eines bodenbasierten Navigationssystems, das aus dem Aufbau von acht Vicon MX Kameras rund um den Flugkorridor und Positions-LEDs am Helikopter bestand.
Vicom Kameraaufbau
Die Vicon Hochgeschwindigkeits- und Präzisionskameras werden auch beim Motion Capture Filmverfahren verwendet, wo an Schauspielern Sensoren befestigt werden, deren Position und Bewegung von den Kameras aufgezeichnet und in 3D-Modelle für Animationen umgesetzt werden. Die gleiche Funktion erfüllten die LEDs am Helikopter, die von den Vicon Kameras verfolgt und gemessen wurden. Die Daten wurden dann dem Kontrollsystem des Helikopters übermittelt, das sie für die nötigen Navigations- und Positionsberechnungen verwendete.

Ein on-board Navigationssystem für derartige automatisierte "Kunstflüge", das die gleichen Kapazitäten liefern könnte, existiert noch nicht. Die Berechnungen und Resultate des jetzigen Navigationssystems dienen den Wissenschaftlern aber als Grundlage, um neue Steuer- und Navigationsalgorithmen für on-board Kontrollcomputer zu entwicklen und technische Anforderungen abzuleiten.

Bei den Landeexperimenten wurde zudem an den Landegleitern des Helikopters und auf der Landefläche Klettstoff verwendet, um bei Kontakt die nötige Haftung und Haltung des Fluggeräts herzustellen. Für die Drohnen müsste also ein Haltesystem aus Greifern und Saugnäpfen entwickelt werden, denn Klettstoff wird sich schwerlich auf allen städtischen Landeflächen finden lassen.

Ein ähnliches Ziel verfolgen die Experimente des "Kunstflug" für autonome Drohnen Projekts am MIT rund um Jonathan How, um den es schon um die Schwärme autonomer UAVs ging. Dessen Finanzierung stellt die Forschungsabteilung Phantom Works von Boeing für experimentelle Drohnen und die Forschungsabteilung der U. S. Air Force sicher.

Im Mittelpunkt von Hows Forschung steht die RAVEN ("Real-time Autonomous Vehicle indoor test Environment") Testumgebung, das aus einem bzw. mehreren Modellflugzeugen als Drohnen-Surrogaten und dem gleichen Vicon Kamera-Sensor System wie bei den Experimenten am Georgia Institut besteht.
Raven Flotte

Raven Vicom Kameras

Raven Flotte, Vicon MX Kameras und Steuercomputer.
Laut des Papiers Multi-Vehicle Flight Experiments: Recent Results and Future Directions für die NATO und dem NewScientist Artikel ging es in den Experimenten darum, dass eine Drohne mit vertikalem Propeller, der sonst nur dem Vorwärtsantrieb dient, aus dem Stand aus einer horizontalen in eine vertikale Fluglage wechseln kann und umgekehrt, was auch gelang. Die Drohne kann somit wie ein Helikopter, quasi an ihrem Propeller "hängend", stabil über einem Standort schweben und Flugmanöver ausführen oder in den horizontalen Flug übergehen und dann über die gleichen Flugeigenschaften eines Flugzeugs verfügen. Sie vereint also die Eigenschaften beider Flugzeugtypen, was zum Navigieren und Landen in den heterogenen Stadtlandschaften von großem Vorteil wäre. Während sich Feron von Vögeln und Fledermäusen inspirieren ließ, spricht How von "sich setzten Enten", also unbemannten Roboter-Drohnen, die sich in jeder Situation und an jedem Ort "niederlassen" können, wobei er ebenfalls sich fortbewegende Objekte als Landeplattformen im Auge hat.
Raven Experimente

Neue Flugmanöver und Lande-Plattformen (Videos).
Die Raven Experimente haben mit den Experimenten mit autonomen Quadrokopter-Drohnen einen zweiten Aspekt gemeinsam, der mit den "sitzenden Enten" und den Docking-Stationen zu tun hat. Der Testaufbau des "Raven Perching Experiments" bestand aus einer Lande-Station, die vertikal an einer Fläche angebracht wurde. Die Raven Drohne wechselte nun mit Hilfe des Vicon Navigationssystem vor der Lande-Fläche in die vertikale Lage und manövrierte sich zur Landung auf die vertikale Lande-Fläche.

Das man am MIT nicht nur lernt, wie man Schwärme autonomer Drohnen automatisiert fliegen lässt, um Gebiete und Objekte zu überwachen und Modellflugzeuge sich wie Enten niedersetzen zu lassen, sondern auch Schwärmen von Quadrokopter-Drohnen beibringt, ebenfalls auf Lande-Stationen zu landen, die als Docking-Stationen dienen, geht aus den beiden Dokumenten Embedding Health Management into Mission Tasking for UAV Teams und Mission Health Management for 24/7 Persistent Surveillance Operations hervor.

Wie der Titel des letztgenannten Dokuments anzeigt, geht es darum, mit Drohnen-Schwärmen eine permanente Überwachung zu realisieren. Handelt es sich bei den Drohnen nicht um Drohnen neueren Typs, die mit Solarzellen und geeigneten Batteriesystemen ausgerüstet mittlerweile mehrere Tage am Stück über große Distanzen fliegen können, setzt der Energieverbrauch der Drohnen der permanenten Überwachung und langen Flugdistanzen Grenzen. Deshalb braucht es über das gesamte Überwachungsgebiet verteilte Docking-Stationen, an die Drohnen autonom ankoppeln, die die dazu nötigen Flugmanöver beherrschen. Diese Docking-Stationen dienen den Drohnen als "Tankstellen", an denen sie im Wechsel ihre erschöpften Akkus oder Batterien automatisch aufladen können, was eine permanente Überwachung mit einzelnen Drohnen oder Drohnen-Schwärmen erst möglich macht. Und das ist der zweite Aspekt, um den es bei den Experimenten mit den Quadrokoptern und dem RAVEN Testumfeld am MIT geht:
Docking-Stationen für Drohnen Docking-Stationen für Drohnen

Docking-Stationen für Drohnen.

Docking-Stationen für Drohnen

Automatisches Landen und Aufladen von Quadrokopter-Drohnen im Juli 2006.
Man kann sich denken, wie begeistert Polizeibehörden und Militärs über derartige Plattformen wären, die jetzt noch offen oder insgeheim Drohnen der aktuellen Generation einsetzen. Vor einem Jahr sprach ich von Science Fiction, als ich die Docking-Stationen am MIT und die aktuellen Experimente noch nicht kannte, heute ist das Ganze immer noch Zukunftmusik, die die Herausforderungen der Sicherheitsforschung bgeleitet, aber morgen – da bin ich mir sicher – werden Drohnen wie Diehls "Perching" SensoCopter, gedacht für "Nahbereichsüberwachung und –aufklärung" und "Operationen in bebautem Gebiet (MOUT)" den Luftraum unserer Städte beherrschen, wenn wir nicht aufpassen.
SensoCopter SensoCopter

SensoCopter.
Abbildungen: Diehl BGT Defence.
Aber die Drohnen dienen ja nur unserem Schutz, unserer Sicherheit und unserem "Sicherheitsgefühl".
von ravenhorst - Owl, gepostet am Mittwoch, 28. November 2007 um 0:10
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