Wissen: Die 6 Level der Autonomie für Drohnen

Auch im Bereich des Drohnenfluges ist wohl kein Thema so stark im Fokus, wie die Autonomie oder der autonome Betrieb von Drohnen. In diesem Artikel erklären wir euch, wie Autonomie definiert werden kann und in welche verschiedenen Stufen sich die autonomen Fähigkeiten unterteilen lassen.

Wenn man sich die modernen Drohnen im Hobby-Segment und im professionellen Bereich ansieht, fällt sofort auf: automatische / autonome Flugfunktionen sind immer mehr auf dem Vormarsch.

Das gilt interessanterweise auch für den Bereich der Consumer-Drohnen, obwohl natürlich das Potenzial autonomer Arbeitsabläufe im industriellen Segment ungleich höher sein dürfte.

Wie auch im Automobilkontext lassen sich die autonomen Fähigkeiten von Drohnen in verschiedene Stufen oder Level unterteilen. Im Folgenden wollen wir uns diese Unterteilung genauer ansehen und greifen dabei auf das Modell der European Cockpit Association zurück, die die Regeln aus der Automobilindustrie nach SAE J3016 auf UAVs übertragen hat.

Was bedeutet Autonomie oder autonomer Betrieb?

Bevor wir uns mit den verschiedenen Autonomie-Leveln beschäftigen, muss zunächst der zentrale Begriff definiert werden: Autonomie, oft auch als autonomer Betrieb bezeichnet.

Dabei gibt es zwei grundsätzliche Dinge zu unterscheiden:

  • Autonome Drohne
  • Autonomes Flugmanöver

Eine autonome Drohne (oder eine autonomes Fluggerät) erlaubt keinen Eingriff in den Flugeinsatz und die Steuerung der Drohne. Bei einem autonome Flugmanöver wird eine Drohne zwar durch einen Menschen gesteuert, befindet sich aber in einem Modus, in dem die Drohne selbstständig agiert.

Autonomie und Automatisierung

An dieser Stelle ist außerdem der Autonomie-Begriff von der Automatisierung abzugrenzen. Autonom bedeutet im eigentlichen Sinne, dass eine Drohne vollständig über ihre Aktionen bestimmen kann. Strenggenommen zählt dazu also auch die Auswahl der entsprechenden Flugmissionen. Wirklich autonome Drohnen im Kontext dieser Definition gehen also mit einem Level von künstlicher Intelligenz einher, die solche eigenständigen Handlungen zulassen würde. Sie wäre dann völlig frei von externen Einflüssen – also auch den Befehlen von Menschen.

Die Unterseite der Mavic Air 2
Sensoren zur Erkennung der Umwelt unterstützen die immer weiter steigende Automatisierung von Drohnen.

Wenn daher heute über autonome Drohnenflüge gesprochen wird, sind in den meisten fällen eigentlich hoch oder vollständig automatisierte Drohnenflüge gemeint. Die Drohne (oder viel mehr die verschiedenen Systeme, aus denen die Drohne besteht) übernehmen dabei Aufgaben automatisch. Sie müssen dann also nicht mehr vom Menschen durchgeführt werden.

Damit geht auch einher, dass der manuelle Eingriff in automatisierte Systeme in vielen Fällen weitergegeben ist. Dies muss jedoch nicht immer auf direkte Art und Weise der Fall sein. Ein hoher Automatisierungsgrad wird daher auch oft mit dem Begriff „autonomer Betrieb“ gleichgesetzt.

Die 6 Level der Autonomie / Automatisierung für Drohnen

Die European Cockpit Association hat sich die Arbeit gemacht und insgesamt sechs verschiedene Automatisierungsstufen von 0 bis 5 definiert. Jede dieser Stufen unterscheidet sich mit steigender Nummerierung in dem Grad der Automatisierung. Eine Level 0-Drohne hat also gar keine Automatisierung an Bord. Eine Level 5-Drohne ist hingegen vollständig automatisiert und benötigt keine menschlichen Eingriffe mehr für den Flug.

Da wir von Automatisierung sprechen, behält der Mensch dauerhaft die Befehlsgewalt über die Drohne („be in command“), nicht jedoch zwangsweise auch die direkte Kontrolle („be in control“) über das Fluggerät.

Level 0: Keine Automatisierung

Die Drohne muss vollständig manuell gesteuert werden. Dies bedeutet, dass der Pilot die Flugrichtung der Drohne kontrolliert und gleichzeitig für das Erkennen von Objekten und die entsprechende Reaktion verantwortlich ist. Es gibt also keine Systeme, die automatisch Hindernissen erkennen und ausweichen können.

Bei einem Fehler der Drohne muss der Pilot direkt eingreifen. Es gibt keine Systeme, die in einem solchen Fall entsprechende Sicherheitsroutinen starten.

Level 1: Unterstützung des Piloten

In Stufe 1 kann die Drohne dem Piloten die Kontrolle von einer der drei Flugachsen abnehmen. Die Drohne hält dann zum Beispiel automatisch die Höhe, während das System davon ausgeht, dass alle anderen Bewegungsrichtungen weiter durch den Menschen gesteuert werden.

Für die Vermeidung von Hindernissen oder Objekten gilt dasselbe wie in Level 0. Die Drohne kann jedoch bereits mit Technologie ausgestattet sein, die Hindernisse erkennt und den Piloten darauf aufmerksam macht („Sense and Alert“).

Level 2: Geringe Automatisierung

Die Drohne ist in der Lage, die Flug auf allen drei Achsen selbstständig durchzuführen. Der Pilot ist jedoch weiterhin für den sicheren Flug der Drohne verantwortlich.

Das ergibt sich auch ganz einfach daraus, dass die Drohne nicht selbstständig Hindernissen ausweicht und in diesem Fall auf den manuellen Eingriff des Menschen angewiesen ist. Ein Beispiel für dieses Level wäre ein Waypoint-Flug bei dem der Mensch weiterhin sicherstellen muss, dass es nicht zu Kollisionen kommt. Die Drohne kann mit entsprechenden Sensoren jedoch unterstützen und vor Kollisionen warnen („Sense and Alert“).

Level 3: Bedingte Automatisierung

In der dritten Automatisierungsstufe bekommt der Pilot weitere Unterstützung in Form von einer erweiterten Automatisierung der Flugfunktionen. Die Steuerung durch den Menschen tritt in den Hintergrund und der Pilot damit in die zweite Reihe.

Die Drohne kann die aufgetragenen Aufgabe also selbstständig erledigen und erkennt dabei unter definierten Voraussetzungen auch Hindernisse und weicht diesen selbstständig aus („Sense and Avoid“).

Unter bestimmten Voraussetzung kann die Drohne den Piloten jedoch auffordern, manuell in die Steuerung einzugreifen und damit die Kontrolle als Backup zu übernehmen.

Vorausgesetzt, die Drohne ist in der entsprechenden Flugrichtung mit Sensoren ausgestattet, kann also ein Modus bei dem die Drohne ein Objekt automatisch verfolgt als Level 3 Automatisierung bezeichnet werden. Beim Weltmarktführer DJI nennt sich diese Technologie beispielsweise ActiveTrack.

Level 4: Hohe Automatisierung

Eine Drohne mit Stufe 4 Automatisierung ist in der Lage alle Aufgaben vollständig alleine durchzuführen. Der Mensch spielt bei der direkten Steuerung der Drohne keine Rolle mehr. Es wird lediglich ein „Befehlsgeber“ mit Luftfahrtkenntnissen benötigt, um die Missionen der Drohne zu planen und zu überwachen.

Im Fehlerfall ist die Drohne selbst in der Lage, die Probleme zu lösen und /oder auf Backup-Systeme zurückzugreifen, um weiterhin den Betrieb sicherzustellen. Der Mensch greift also auch dann nicht mehr direkt ein.

Level 5: Vollständige Automatisierung

Das höchste Level der Automatisierung wird oftmals auch mit dem Wort „Autonomie“ beschrieben. Wieso das nicht ganz richtig ist, haben wir bereits im vorherigen Kapitel geklärt.

Nichts desto trotzt bietet eine Level 5 Drohne die Möglichkeit, alle Parameter einer Flugmission unter Beachtung sämtlicher externer Vorgaben und Einflüsse selbstständig zu planen und auszuführen. Dadurch ist nur noch ein Mensch zur Erteilung des Flugbefehls nötig, besondere Kenntnisse über die Luftfahrt sind aber nicht mehr von Nöten. Diese Dinge beachtet die Drohne von ganz alleine.

Auch Fehlersituationen kann die Level 5-Drohne alleine lösen. Die Planung der Missionen basiert auf einer künstlichen Intelligenz (AI), die selbstständig lernt.

Was bringt die Zukunft?

Viele moderne Drohnen weisen bereits Eigenschaften auf, die sie in die Kategorie 3 fallen lassen. Dazu müssen die Modelle mit Sensoren ausgestattet sein, die es ermöglichen, ein Bild ihrer Umwelt wahrzunehmen.

Günstige Drohnen bewegen sich hingegen oft in den Bereichen zwischen Level 0 und Level 1. Auch Level 2 Drohnen sind zu großen Mengen bereits am Markt vertreten.

Level 4 Automatisierung oder Level 5 Autonomie zu erreichen, ist eine Aufgabe die die Branche in den kommenden Jahre auf Trab halten wird. Die Weiterentwicklung von Level 4-Drohnen wird eines der wichtigen Ziele sein, um beispielsweise die Lieferung mit Drohnen in die breite Masse tragen zu können.

Schlusswort

Wir hoffen, euch hat dieser kurze Überblick über die verschiedene Automatisierungsstufen und das Thema Autonomie im Drohnenflug geholfen und ihr habt nun einen Idee davon, was uns in der Zukunft erwarten wird.

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Quelle: European Cockpit Association

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Nils Waldmann

Hi, ich bin Nils! Ich bin leidenschaftlicher Modellbauer, Hobby-Fotograf, Akku-Liebhaber und RC-Pilot. Ich berichte hier über die neusten Entwicklungen in der Drohnen-Branche und kümmere mich um detaillierte Anleitungen, Guides und Testberichte.

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