"Drohnen werden unseren Alltag revolu­tio­nieren."

- Michael Odenwald | Focus


BIRD - Biolo­gical Insecticide Repellent Payload

Aufstieg der Drohnen - Unbemannte Flugzeuge als fliegende Helfer

Im Jahr 2012 rief das renommierte US-Technologiemagazin „Wired“ das Zeitalter der Drohnen aus. Dabei stammen die ersten Aufzeichnungen von unbemannten Flugdrohnen bereits aus dem Jahr 1849. Der Österreicher Franz von Uchatius (1811-1881) experimentierte im Konflikt zwischen Norditalien und der Habsburgermonarchie mit Bomben, die an Ballons hingen und ferngesteuert abgeworfen wurden. Obwohl die „Ballonbomben“ kaum mit heutigen Drohnen vergleichbar sind, gelten sie doch als der erste Versuch unbemannte Flugsysteme einzusetzen.

Der breiten Öffentlichkeit wurden Drohnen vor allem seit dem von den USA geführtem „Krieg gegen den Terror“ bekannt. Doch mittlerweile gehen die Einsatzmöglichkeiten von Drohnen weit über militärische Zwecke hinaus. Man nutzt sie für Wetterbeobachtungen, Filmproduktionen oder in der Landwirtschaft. „Sie könnten Menschenleben retten, Vulkane überwachen und eilige Lieferungen übernehmen - neben der kriegerischen Nutzung von Drohnen tritt zunehmend ihr ziviler Einsatz“, schreibt der Fokus. Auch Professor Jens Altenburg, Projektleiter des Binger Forschungsprojekts BIRD, sieht zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für Drohnen. Besonders im Katastrophenschutz oder für die Sammlung von Agrar- und geomorphologischen Daten sieht er großes Potenzial. „Stellen Sie sich vor, Gelände erodiert und wir können das abtasten. Dann sind wir in der Lage, rechtzeitig bevor der ganze Hang gefährdet ist, auf dieses Risiko hinzuweisen.“ Ein anerkannter gesellschaftlicher Nutzwert dieser Art sei essentiell, betont der Forscher. Nur so könne sich die Drohnentechnologie langfristig durchsetzen. Bereit, den kommerziellen Sektor zu revolutionieren, sind die Flugdrohnen: Die unbemannten Luftfahrzeuge werden immer schneller und lukrativer. „Durch die Verbilligung von Komponenten sind die Systeme leistungsfähiger und bezahlbarer geworden.“, erklärt Prof. Altenburg die Ausbreitung der „Unmanned Air Vehicles“.

Elektromotor der Drone

Made in Bingen: BIRD - Binger Intel­ligent Radar Drohne

Das Projekt

Um die Nutzung von Drohnen in der Landwirtschaft voranzutreiben, konzipierte die TH Bingen eine Flugdrohne, die zum Transport unterschiedlichster Nutzlasten fähig ist. Ihren Erstflug absolvierte der Flächenflügler im August 2014. Das Besondere: Das System besteht aus intelligenten und flexiblen Modulen. Zum leichten Transport kann die Flugdrohne in Antriebs-, Nutzlast- und Sensormodul zerlegt werden. Vor dem Einsatz werden das Antriebs- und Nutzlastmodul mit dem Sensormodul mechanisch und elektrisch mit Hilfe von Magnetverschlüssen verbunden. Der Zusammenbau erfolgt ohne spezielles Werkzeug und ist innerhalb kürzester Zeit möglich. „Die Zielrichtung ist, dass jemand, der kein ausgebildeter Spezialist ist, die Drohne einfach montieren kann“, beschreibt Prof. Altenburg das Modulsystem.

Den Kern des Sensormoduls bildet ein eingebettetes System („Microcontroller“). Dieser leistungsfähige Bordcomputer verarbeitet interne Sensordaten (Fluggeschwindigkeit, Fluglage, GPS, etc.) zur teilautonomen Unterstützung des Bodenpiloten. Er erkennt die Nutzlasteinheit und kann damit das Flugverhalten innerhalb der Möglichkeiten der Drohne an die Nutzlast anpassen.

Das Nutzlastmodul ist als eigenständige Mechanik- und Elektronikbaugruppe konzipiert. „Wir geben das Nutzlastmodul dem Kunden in die Hand. Dort baut er seine Elektronik, seine Anwendungen, seine Nutzlast selbst ein. Wir sind quasi das Transportunternehmen, das die payload box möglichst handhabbar für den Kunden durch die Luft bewegt.“ Der Kundennutzen steht im Fokus der Bemühungen. Der Kunde kann BIRD für alles nutzen, was innerhalb der Nutzlast transportfähig ist – ob für den Transport biologischer Schädlingsbekämpfungsmittel oder eine Kamera zur Sammlung von geologischen Daten. Der integrierte Nutzlastcomputer stellt dem Anwender dabei eine Reihe von Standard-Interfaces (digitale und analoge Eingänge, serielle Schnittstellen sowie Stromversorgung) für eigene Programme zur Verfügung. Dies verringert im besonderen Maße die Einstiegsschwierigkeiten für Programmierneulinge.

Alle Module kommunizieren über einen Systembus untereinander. Die erforderlichen Kontroll- und Steuerflächen werden mittels der ebenfalls mit diesem Bus verbundenen Rudermaschinen beeinflusst. Mehrere Telemetriekanäle stellen den Datenaustausch zur Bodenstation sicher. 

Neben diesen klassischen Sensoren verfügt die Sensoreinheit auch über ein Mikrowellenradar zur Kollisionsvermeidung und zur exakten Flughöhenmessung beim Tiefflug. Das Antikollisionsradar liefert ein zweidimensionales Radarbild und sendet Warnungen über mögliche Hindernisse aus, was besonders im Tiefflug essentiell ist.

Die Zielsetzung

Das Ziel des Binger Forschungsteams rund um Prof. Jens Altenburg ist, die neue Drohnen-Technologie in die Landwirtschaft einzugliedern. BIRD ist dabei als „Absetzsystem zur biologischen Schädlingsbekämpfung im Tiefflug“ gedacht. Ein Experimentalszenario ist die Bekämpfung des Maiszünslers. Dieser Schädling befällt hochwertigen Saatmais. Um schädliche Insektizide zu ersetzen, werden Schlupfwespenlarven auf dem Feld ausgesetzt. Bisher erfolgt das mühevoll in händischer Arbeit. Doch in Zukunft könnte das die Binger Drohne übernehmen. „Wir füllen die Nutzlast mit den Larven, fliegen über das Feld und werfen alle zehn Meter eine ab. Damit arbeitet man das Feld in einem Bruchteil der Zeit ab.“, erklärt Master-Student Christopher Hilgert, der an der Entwicklung beteiligt ist.

„Absetzsystem zur biologischen Schädlingsbekämpfung im Tiefflug“

BIRD soll aber nicht nur in der Landwirtschaft eingesetzt werden. „Wir müssen eine neue Technologie reif bekommen. Zuverlässig und einsatzfähig. Was dann für weitere noch gar nicht bekannte Einsatzgebiete kommen, wird sich noch zeigen.“, sagt Prof. Altenburg. Bei jeder Präsentation des Trägersystems entstehen dabei neue Ideen. Beispielsweise sind Geologen schon an der Nutzung der Drohne für Fotoaufklärung interessiert.

Entwicklungsstand

Nachdem das Team rund um Prof. Altenburg zwei optische Modelle und ein Flugmodell der Binger Drohne entwickelt hat, bewegt es sich gegenwärtig auf den Abschluss einer weiteren Entwicklungsetappe zu. „Wir haben den Demonstrator in ein Vorserienprodukt überführt. Bei einer industriellen Produktentwicklung würde jetzt die Serienreifmachung folgen: also das tauglich machen für Produktionsprozesse und die Anwendung der Technologien.“ Zudem experimentiert das Team aktuell mit 3-D Drucktechniken, um die Weiterentwicklung von BIRD, genannt PIRX, noch innovativer zu machen. „Ein Ingenieur ist nie zufrieden. Wenn er fertig ist, hat er gleich eine Idee, was er noch verbessern kann“, lacht Prof. Altenburg. Erste Ergebnisse dieser Weiterentwicklung wurden im April 2016 auf der Luftfahrtmesse AERO präsentiert. Außerdem arbeitet die TH-Bingen kontinuierlich gemeinsam mit Industriepartnern an Anti-Kollisions-Mechanismen, dem Radarsystem und dem Bordcomputer.

Technische Daten
Spannweite/Länge1800 x 1200 mm
Antrieb 550 W, Brushless
Nutzlast550x100x100 mm
Bordcomputer32-Bit ARM Cortex M4
Nutzlastrechner„mbed“-kompatibel
SensorenDrehrate, Beschleunigung, Luftdruck, GPS, Radar (24 GHz), Telemetrie (868 MHz) Fernsteuerung (2,4 Gyro, Beschleunigungsmesser, Luftdruck, GPS, Radar (24 GHz), Telemetrie (868 MHz), Fernsteuerung (2,4 GHz)

 

Professor Altenburg im Gespräch auf einer Messe

„Wenn man jungen Leuten Aufgaben überträgt und sie sich ernst genommen fühlen, erhält man ganz tolle Ergebnisse“

Ein ambitio­niertes Projekt

Praxisnahes Lernen und anwendungsorientiertes Forschen hat an der TH Bingen Tradition. In diesem Sinne waren an der BIRD-Forschungsinitiative maßgeblich Studentinnen und Studenten  beteiligt. Nur mit Hilfe der engagierten studentischen Mitarbeiter konnte das ambitionierte Projekt auf einen guten Weg gebracht werden, denn die Mehrzahl der Aufgaben wurde im Rahmen der Lehre und Forschung realisiert. Die Vorentwicklung des Prototyps wurde zu gut 80 Prozent durch studentische Projekte getragen. Dabei haben die Studierenden Leistungen erbracht, die deutlich oberhalb der Minimalstandards der Ingenieursausbildung liegen. „Dieses Projekt sehe ich als Herausforderung an die Kreativität junger Ingenieure bzw. Ingenieurinnen. Ich gebe ihnen nur die Rahmenbedingungen vor und lasse ansonsten ihrer Kreativität freien Lauf.“, beschreibt Projektleiter Prof. Altenburg die Herangehensweise. Er selbst sieht sich dabei als Ideengeber und Berater: „Wenn man jungen Leuten Aufgaben überträgt und sie sich ernst genommen fühlen, erhält man ganz tolle Ergebnisse“, schwärmt er. Und sein Konzept geht auf: die Studenten stehen Schlange, um Teil des BIRD-Projektes zu sein. Kein Wunder: Sie können hier hochkarätig entwickeln. „Was wir hier machen, ist schon Leistungssport.“, bringt Prof. Altenburg es auf den Punkt.

„Was wir hier machen, ist schon Leistungssport.“

 

Für die Studierenden bietet die Arbeit an einem solchen Projekt viele Vorteile: Sie können eigenverantwortlich im Labor forschen und entwickeln. Für Christopher Hilgert ist der Kontakt zu Kooperationspartnern wichtig: „Die Interaktion mit Firmen, also dass man hinfährt und ein Meeting hat, das ist für mich ein sehr interessanter Punkt, den ich im Studium sonst nicht habe.“ Doch auch der Spaß an der Sache ist ein wesentlicher Aspekt „Ja, ich bin allgemein so ein Flugverrückter. Auch Modellflugzeuge sind mein Gebiet. Das macht mir sehr viel Spaß. Deswegen fand ich es super interessant hier mit der Projekt- und Bachelorarbeit einzusteigen.“

Cebit 2015

221.000 Besucher und 3.300 Aussteller aus 70 Ländern – die CeBit ist nicht nur die weltweit größte Messe für Informationstechnik, sondern auch die wichtigste der Branche.

Unter dem Motto d!conomy stand 2015 die allgegenwärtige Digitalisierung, die das berufliche und gesellschaftliche Umfeld immer stärker prägt. Mit dabei: der Prototyp der BIRD-Flugdrohne. Am Gemeinschaftsstand Hessen/Rheinland-Pfalz präsentierten die am stärksten in das Projekt involvierten Studierenden den Fachbesuchern der CeBIT ihre Bingen-Drohne und standen den Interessierten Rede und Antwort. „Das motiviert auf jeden Fall. Am Anfang war ich sogar ein bisschen nervös, als die ersten Leute kamen und Fragen stellten. Man weiß noch gar nicht genau, wie man eine Antwort geschickt aufbaut“, erinnert sich Master-Student Christopher Hilgert.

Auszug studentische Arbeiten

Christopher Hilgert entwickelte im Rahmen seiner Bachelorarbeit einen funktionsfähigen Laborprototyp des Bordrechners. Seine Arbeit basierte auf den vorläufigen Flugdaten des Jungfernfluges, mit denen die Anforderung an die Rechenleistung des Bordcomputers spezifiziert werden konnte. Seine Begeisterung für das Projekt hält an: Aktuell schreibt er seine Masterarbeit im Rahmen des BIRD Projektes. Diesmal beschäftigt er sich mit der Visualisierung von Radardaten.

Die Anforderungen für die Telemetrie (Luft-Boden-Kommunikation) mussten im Verlauf der Forschung erfasst und aufgestellt werden. Die Voruntersuchungen dazu erfolgten in der „Betreuten Praxis“ durch Andreas Fritz.

Eine weitere wichtige Aufgabe war die Simulation von Lageveränderungen der Drohne während des Fluges. Jani Pausch, Cedrik Albrecht und Patrick Günster realisierten in einer Projektarbeit hierfür einen „Ein-Achse-Simulator“.

Die Auswahl und den „Vorabtest“ eines geeigneten Sensors zur Lagedetektion war die Arbeitsaufgabe in der „Betreuten Praxis“ von Philipp Marsiske.

Zusam­men­arbeit mit der Industrie

Die TH Bingen hat sich zum Ziel gesetzt, einen schnellen und reibungslosen Transfer von Wissen und "Know-How" in die Industrie zu gewährleisten, Wirtschaft und Wissenschaft weiter zu vernetzen sowie Forschungsergebnisse den Unternehmen zugänglich und nutzbar zu machen. Im Rahmen der BIRD-Forschungsinitiative wurde dementsprechend eng mit der Industrie zusammengearbeitet. So kooperierte das Team bei der Weiterentwicklung der Telemetrie mit der Fa. Reimesch GmbH. Außerdem gab es eine Zusammenarbeit mit der IMST GmbH bei Weiterentwicklung der Bordelektronik, da für den geplanten Einsatz in der Schädlingsbekämpfung ein Mikrowellen-Radarsystem zur Flughöhenmessung bzw. Kollisionsvermeidung notwendig war.

Aktuell gibt es ein ZIM-Projekt mit einer Firma für Elektronikkomponenten. Derartige Kooperationen sind wichtig, weil sie zum einen als Finanzierungsquelle dienen und andererseits ein Personaltransfer möglich wird. Die Studierenden lernen hierbei zukünftige Arbeitgeber kennen. Auch solche mittelständischen Firmen, die sie bisher nicht auf dem Karriereplan hatten.

Heraus­for­de­rungen in der Zukunft

Die größte Herausforderung ist nicht die Technik, es ist die Politik. Aktuell ist das Drohnenfliegen nur auf ausgewiesenen Flugplätzen unter ständiger Kontrolle eines Drohnenpiloten im Sichtflug möglich. Für den kommerziellen Einsatz in der Landwirtschaft sind deshalb rechtliche Anpassungen nötig. Daran wird aktuell gearbeitet. Beispielsweise können Landesbehörden künftig das Steuern außerhalb der Sichtweite des Piloten erlauben. Für die gewerbliche Nutzung soll dafür  ein Führerschein eingeführt werden, bei dem luftrechtliche und fliegerische Kenntnisse nachgewiesen werden müssen. Prof. Altenburg sieht allerdings ein Problem: „Ich entwickle nicht nur für Deutschland Produkte“, daher müssten künftig weltweite Regelungen für den Drohneneinsatz gefunden werden.

Technisch bestehe die größte Herausforderung laut Projektleiter Prof. Jens Altenburg darin, die Drohnen technologisch serienreif zu bekommen: „Wir müssen neuartige Sensorsysteme mit leistungsfähigen Rechnern in miniaturisierten Systemen verbinden. Also das, was die manntragende Luftfahrt mit großen Geräten macht, versuchen wir stückweise zu miniaturisieren.“ Dabei muss das System bezahlbar sein. Es gilt daher, in Zukunft einen Kompromiss aus Leistungsfähigkeit, Preis und Kundenakzeptanz zu finden.


Projektverantwortliche
  • Prof. Dr.-Ing. Jens Altenburg , Microprozessortechnik und Embedded Systems

Projekte erarbeiten und Ideen umsetzen.

Studieren an der Technischen Hochschule Bingen: werden Sie zum Experten in einem unserer technisch-naturwissenschaftlichen Studiengänge. Wenn Sie praxisbezogen und fachlich fundiert studieren möchten, sind Sie bei uns genau richtig.

Zu den Studiengängen

Zurück zur Übersicht