Drohnen sind Hightech-Geräte, die auf eingebetteten Systemen basieren. Durch deren permanente technologische Weiterentwicklung entstehen ständig neue Einsatzfelder. Zukünftig werden sie mit Künstlicher Intelligenz unmittelbar im Flug Fotos analysieren und Unregelmäßigkeiten entdecken können. Entsprechende Plattformen existieren bereits.
Die Einsatzgebiete von Drohnen sind vielfältig und ständig kommen neue hinzu. Sie werden für die Inspektion von Bauwerken wie Brücken oder die Überwachung von Gleisanlagen eingesetzt. Sie fliegen durch Abwassertunnel, um Problemstellen zu lokalisieren. Sie kommen zur Anwendung für die medizinische Versorgung bei Unfällen oder Notfällen, beispielsweise im Gebirge. In der Landwirtschaft entdecken sie Rehkitze, bevor der Mähdrescher kommt. Selbst die Abwehr von Drohnen erfolgt mittels Abfangdrohnen, etwa mit der deutschen Entwicklung „Talon“ des Berliner Unternehmens Germandrones. Ihre Technik wird immer komplexer und ausgefeilter. Fliegen Drohnen in Schwärmen, verfügen sie zumeist über spezielle Fähigkeiten, um sich untereinander zu koordinieren und Daten auszutauschen. Die Komplexität der Formationen erinnert dann zuweilen an Bienenschwärme.
Spezielles Chipdesign erlaubt Zuschnitt auf besondere Einsatzformen
Drohnen basieren auf Embedded Systemen. In der Luftfahrt sind eingebettete Systeme nicht mehr wegzudenken. Sie sind klein, leicht und leistungsfähig und passen damit perfekt zu den Kriterien im Luftfahrtbereich. Die auf Mikrocontrollern basierenden Boards sind unter anderem verantwortlich für die Echtzeit-Flugsteuerung sowie die Lage- und Stabilitätskontrolle. Durch spezielles Chipdesign, System on a Chip (SoC) können sie auf besondere Anforderungen zugeschnitten werden. So können Drohnen für spezifische Aufgaben entwickelt werden, wie beispielsweise den Flug durch Abwassertunnel, wo meist kein GPS-Empfang möglich ist und auch die Funkfernsteuerung auf Probleme stoßen kann.
Die IT-Technik von Drohnen, die auch als unbemanntes Luftfahrzeug, englisch „Unmanned Aerial Vehicle“ (UAV) oder Uncrewed Aircraft Systems (UAS) bezeichnet werden, funktioniert arbeitsteilig. Sie besteht im Kern aus einem hochintegrierten Embedded System, das Avionik, Sensorik und drahtlose Kommunikation verbindet. Moderne Drohnen stellen fliegende Computing-Plattformen dar, die Daten in Echtzeit verarbeiten.
Embedded System ist Herzstück jeder Drohne
Das Herzstück jeder Drohne ist der Flight Controller, ein Embedded System mit einem spezialisierten Mikrocontroller, der als Flugcomputer fungiert. Zu seinen Aufgaben zählt die Verarbeitung von Sensordaten, die Berechnung der Position im Raum und die Steuerung der Rotormotoren über elektronische Geschwindigkeitsregler. Er muss eine stabile Lage, autonome Flugmanöver und automatisches Starten und Landen ermöglichen. Dazu nutzen Drohnen eine Vielzahl von Sensoren, um ihre Position zu bestimmen, Flugmanöver durchzuführen und Hindernisse zu erkennen und vermeiden. Auch bei schwierigen Bedingungen wie Windböen müssen sie in der Lage sein, vorgegebene Routen abzufliegen oder autonom zu navigieren, zum Beispiel bei der Durchführung von Drohnen-Lieferungen oder -Inspektionen. Das Embedded System muss dazu die Daten verschiedener Sensoren in Echtzeit verarbeiten und miteinander korrelieren, um Entscheidungen zu treffen, Hindernisse zu umfliegen oder Objekte zu identifizieren.
Grundlage dafür ist die inertiale Messeinheit (IMU). Sie besteht aus Gyroskopen und Beschleunigungssensoren zur Bestimmung von Lage und Bewegung. Die IMU fungiert somit praktisch als eingebaute Wasserwaage mit Beschleunigungsmesser. Damit lässt sich beispielsweise feststellen, ob eine Drohne gerade nach rechts oder links dreht oder vom Wind ungewollt in eine Richtung gedrückt wird.
Ebenso wichtig sind Sensoren für die präzise Positionierung und Navigation, zumeist mittels sogenannter globaler Navigation per Satellitensystem (GNSS), in der Regel in Form von GPS. Optische Sensoren und Kameras, „Visual Positioning Systems“, unterstützen die Positionshaltung ohne GPS, etwa wenn gerade kein Empfang gegeben ist. Sie dienen ebenfalls zur Hinderniserkennung. In die gleiche Kategorie fallen auch LIDAR- (Radar) und Infrarotsensoren. Sie erlauben auch eine 3D-Kartierung und Nachtsicht.
KI-Plattformen für Drohnen
Moderne Drohnentechnik verlagert die Datenverarbeitung zunehmend weg von zentralen Servern in der Cloud direkt auf das Fluggerät. Embedded Systems mit leistungsstarken Grafikprozessoren und Bildverarbeitungsfunktionen erlauben die Auswertung von Videofeeds, können so Hindernisse schneller und zuverlässiger erkennen, aber auch Bildanalysen verbessern. Zukünftig sollen diese verstärkt durch Künstliche Intelligenz (KI) ergänzt werden. Integrierte KI-Chips sollen Echtzeit-Objekterkennung, Hindernisvermeidung und autonome Analysen während des Flugs verbessern. Dazu stellt beispielsweise das Fraunhofer-Institut für mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) als Open Source das KI-Software-Framework AifES zur Verfügung. AifES steht für „Artifical Intelligence for Embedded Systems“. Damit können künstliche Neuronale Netze (KNN) praktisch auf jeder Hardware eingesetzt und auch trainiert werden. Inzwischen hält der Embedded-Markt für Drohnen geeignete KI-Plattformen bereit. Zum Beispiel die Jetson-Plattform von NVIDIA oder das System FLYC-300 von Neousys. Letztendliches Ziel ist es, den Drohnen immer mehr Autonomie zu verleihen.
Quellenangaben
Die diesem Beitrag zugrunde liegenden Informationen basieren auf unterschiedlichen Fachbeiträgen, Produktinformationen und Medienberichten. Dazu zählt der englischsprachige Artikel „Next-gen UAVs: High-tech drone innovations to watch out for in 2025“ von Asteria Aerospace, der einen Überblick über zukünftige technologische Entwicklungen im Drohnenbereich gibt. Ergänzend wurden die Inhalte aus „Artificial Intelligence for Embedded Systems“ des Fraunhofer IMS herangezogen, die den Einsatz von KI in eingebetteten Systemen beleuchten. Technische Einblicke liefern zudem „Embedded Solutions for Drones & UAVs“ – in englischer Sprache – von Nvidia sowie die Produktbeschreibung „Drone Mission-Computer FLYC-300“ von Neousys. Aktuelle gesellschaftliche und politische Bezüge werden durch den Beitrag „Drohnen aus Berlin-Tegel“ der Tagesschau ergänzt.