Besonderheiten der Drohnen-Technologie und -Entwicklung Tipps und Prognosen für Drohnen-Software

Drohnen bestehen aus weitaus mehr als nur Gehäuse, Motoren und Rotoren, sprich der Hardware. Unter der Haube arbeitet ein komplexes Software-Gebilde, bestehend aus Embedded-Komponenten, Betriebssystem und APIs.

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Die Anzahl der eingesetzten Drohnen nimmt einer BDL-Studie zufolge jährlich zu. Heute fliegen rund eine halbe Million Drohnen in Deutschland. Dabei ist die Zahl der Drohnen im privaten Gebrauch um das 24-fache höher als die Zahl der kommerziell genutzten Drohnen (455.000 gegen 19.000).

Der deutsche Drohnenmarkt – Hardware, Software und Service – wird heute auf 574 Millionen Euro geschätzt und nimmt im Ranking der größten Drohnenmärkte nach den USA, China und Frankreich den 4. Platz ein. Mit steigender Tendenz wird auch in deutsche Drohnen-Spezialisten investiert.

Wir konzentrieren uns hier auf das Marktsegment Software, das Lösungen für die Flugplanung, Steuerung und Flugdurchführung sowie Datenverarbeitung umfasst. Die Software für Drohnen setzt sich aus drei Teilen zusammen: Systemsoftware, einer cloudbasierten Steuerungsplattform und Benutzersoftware.

Die Systemsoftware umfasst die folgenden Komponenten:

• Embedded Software: verwaltet die Hardware und erlaubt es, sowohl Daten über die Geschwindigkeit, den Standort und die Höhe der Drohne als auch Informationen über den Zustand von verfolgten Objekten und Flächen zu erfassen und teilweise zu analysieren. Diese Daten werden von unterschiedlichen Sensoren gesammelt, mit denen Drohnen ausgestattet sind: GPS; Wärmebild-, Infrarot- und Lidar-Kameras (Lidar steht für „Light Detection and Ranging“), Ultraschall- und Vision-Sensoren und mehr.

• Betriebssystem: mit dem OS können Anwender die eingebettete Software in Betrieb nehmen.

• Web- und Cloud-Schnittstellen: ermöglichen den Zugriff auf das Betriebssystem über die Systeme zur Fernsteuerung von Drohnen (Benutzeranwendungen und cloudbasierte Steuerungsplattform) und das Streaming von gesammelten Daten in die Cloud oder zu mobilen Geräten.

Eine cloudbasierte Überwachungs- und Steuerungsplattform für Drohnen wird für die Datenverarbeitung, -speicherung und -analyse verwendet. Es ermöglicht auch das autonome Handeln einer Drohne. Der Cloud-Teil ist ein Muss, wenn es um komplexe Prozesse wie die Erstellung von 3D-Karten, die Bildverarbeitung und die Mustererkennung geht.

Die cloudbasierte Plattform für die Steuerung und Überwachung enthält die folgenden Komponenten:

• Streaming-Datenprozessor, um die Datenverarbeitung und –analyse nahezu in Echtzeit zu ermöglichen;

• Data Lake, um in „Streams“ kommende Daten im ursprünglichen Format zu speichern, zu filtern und zu bereinigen;

• Big Data Warehouse, um die gefilterten und bereinigten Daten aus dem Data Lake zu extrahieren und zu analysieren;

• Data Analytics und maschinelles Lernen, um extrahierte Daten im Big Data Warehause auszuwerten, komplexe Zusammenhänge und Muster zu entdecken, Modelle zu erstellen, zu trainieren und zu verwenden.

• Steuermodul einer Drohne, um die Übermittlung von Steuerbefehlen zu ermöglichen.

• Schnittstellen zur Kommunikation mit der Drohne.

Die Benutzersoftware umfasst Frontend- und Backend-Teile von Web- und mobilen Apps. Sie unterstützt Benutzer bei der Planung und Durchführung von Flügen, liefert Informationen über den Flug (z. B. wo sich die Drohne genau befindet oder wie hoch die Drohne fliegt) und gibt einen Überblick über das Fluggebiet (z. B. ob Drohnen in diesem Gebiet überhaupt fliegen dürfen).

Die Benutzersoftware enthält auch Schnittstellen für die Kommunikation mit der Cloud und der Drohne. Um miteinander zu kommunizieren, verwenden alle drei Teile spezielle Protokolle wie MAVlink und ROSlink.

Entwicklung von modernen Drohnen-Apps und Software

Während Einsatzszenarien von Drohnen immer vielfältiger werden, verändern sich auch Anforderungen an die Entwicklung von Drohnen-Apps und Software.

Intelligente Steuerung
Moderne Drohnen-Apps müssen Funktionen für sicheres und bequemes Fliegen anbieten. Hier geht es beispielsweise um solche Funktionen wie das Logbuch, in dem alle Flugdaten erfasst werden – der Ort, der Start und die Dauer des Fluges und mehr. Es muss auch möglich sein, Trainingsflüge zu simulieren, den Flug zu planen und den realen Flug zu steuern. Die Routenplanung erfolgt unter Berücksichtigung von Wetterbedingungen, Karten für Flugverbots- und Flugbeschränkungszonen und Flügen von anderen Drohnen in der Nähe, um Kollisionen zu vermeiden. Apps können auch erweiterte Funktionen anbieten, je nachdem, wofür die Drohne verwendet wird, beispielweise aufgenommene Bilder oder Video zu bearbeiten; Warnmeldungen auf dem Display zu zeigen, falls sich der Zustand der Drohne oder die Route verändert haben oder die Grenzwerte für die maximale Höhe überschritten wird.

Datensicherheit
Beim Einsatz von Drohnen muss die erhöhte Datensicherheit gewährleistet werden; besonders, wenn die Drohnen-Software mit anderen Unternehmenssystemen integriert werden muss oder wenn Drohnen für staatliche oder militärische Zwecke eingesetzt werden. Um ein angemessenes Schutzniveau für die Software zu gewährleisten, sollte man bestimmte Sicherheitsmaßnahmen ergreifen, z. B. auf die Sicherheit schon während des Entwicklungsprozesses zu achten; Softwareteile sicher zu verbinden; Teile, die vertrauliche Informationen enthalten, auf der Architekturebene zu isolieren und andere.

CI / CD
Es muss möglich sein, die Qualität der Drohnen-Software kontinuierlich zu verbessern und notwendige Änderungen vorzunehmen, beispielweise die Benutzeranzahl zu vergrößern, neue Funktionen hinzuzufügen oder umfassende Anpassungen durchzuführen. In der modernen Softwareentwicklung sind kontinuierliche Verbesserungen ein Muss, um mit den sich schnell entwickelnden Innovationen Schritt zu halten. Zur Hilfe kommen Prinzipien und Methoden des populären Konzeptes „Continuous Integration, Delivery und Deployment“.

Integration

Da die Anzahl von kommerziell genutzten Drohnen steigt, müssen sich Drohnen-Software ganz einfach je nach Aufgabe in andere Unternehmenssysteme integrieren lassen, beispielsweise in bestehende Systeme für das Asset Management.

Heutige Einsatzszenarien für Drohnen

Obwohl die Zahl der kommerziell eingesetzten Drohnen viel niedriger als die Zahl privat genutzter Drohnen ist, werden gewerbliche Anwendungsfelder und -szenarien immer vielfältiger. Das beweist nur, dass Drohnen ein enormes Potenzial haben und immer mehr Einzug in unser alltägliches Leben halten. Die folgende Liste bietet nur einige mögliche Einsatzszenarien, die heute mit Drohnen erfüllt werden:

Verkehrssicherheit: Drohnen werden eingesetzt, um hochwertige Bilder aufzunehmen, die dabei helfen, bei schweren Verkehrsunfällen Unfallursachen zu ermitteln. Bei solcher Ermittlung kann ein Spurenbild eine wesentliche Rolle spielen, weil der Blick aus der Vogelperspektive einen besseren Überblick über die gesamte Situation anbietet. Die Drohnen sind auch im Einsatz bei der Polizei, um ein unangemessenes Verhalten oder risikoreiche Situationen zu erkennen und Unfälle zu vermeiden.

Gesundheitswesen und humanitäre Hilfe: Es geht vor allem über den Transport von lebenswichtigen Medikamenten, Blut- oder Gewerbeproben, Blutkonserven usw. entweder in andere in der Nähe liegende medizinische Einrichtungen, ins Labor zur Untersuchung, oder in weit entfernte Gebiete, wo z. B. Lieferungen nur per Boot möglich sind und zu lange dauern, was in Notfällen zum Tod führen kann.

Hoch- und Tiefbau: Drohnen sind heute in der Bauwirtschaft aktiv eingesetzt, indem sie die kontinuierliche Erfassung und Übertragung von Daten in jeder Bauphase ermöglichen, was Zeit und Kosten erheblich spart. Die Hauptaufgabe von Drohnen besteht darin, sowohl einzelne Gebäude, als auch größere Fläche zu vermessen und zu inspizieren.

Energie: Drohnen werden auch im Energiesektor zunehmend eingesetzt, um eine zuverlässigere Energieversorgung zu gewährleisten. Inspektionsflüge ermöglichen die regelmäßige Kontrolle des Leitungszustandes. Für die Erfüllung dieser Aufgabe können Drohnen auch mit Kameras und Sensoren ausgestattet sein, was ermöglicht, unterschiedliche Daten zu erfassen und dann mittels Spezialsoftware und künstlicher Intelligenz zu verarbeiten und zu analysieren. Das hilft, Fehler und Probleme frühzeitig zu erkennen und zu beheben.

Land- und Forstwirtschaft: Die Drohne trägt zur Revolution in Land- und Forstwirtschaft bei und ermöglicht, Personal- und Zeitressourcen zu sparen. In diesem Sektor kommen die Drohnen zum Einsatz, um die Überwachung des Zustands von Pflanzen und sogar ganzen Feldern zu unterstützen und gewisse Fragen zu beantworten: welche Felder und wann gedüngt und bewässert worden sind, ob das Versprühen von Pestiziden notwendig ist und andere. In der Forstwirtschaft werden Drohnen genutzt, um basierend auf aufgenommenen Bildern beliebige Veränderungen in den Wäldern zu untersuchen und notwendige Maßnahmen zu ergreifen.

Markterwartungen und Prognosen

Die Hauptanstrengungen bei der Entwicklung von Drohnen-Software konzentrieren sich darauf, fortgeschrittene autonome Fähigkeiten anzubieten. Dank künstlicher Intelligenz und Machine Learning eröffnen sich zahlreiche Möglichkeiten, komplexere Aufgaben anhand von Trainingsbeispielen zu lösen.

Künftig könnten die Drohnen basierend darauf beispielweise Routen planen oder korrigieren sowie Hindernisse im Straßenverkehr erkennen und umfliegen und dadurch autonomer zu navigieren. Noch dazu wird die Verwendung von Echtzeit-Betriebssystemen (RTOS) immer beliebter. Diese Systeme ermöglichen es, Daten schneller zu verarbeiten und präzise auf sich ändernde Umstände zu reagieren.

Ein besonderer Vorrang wird auch in absehbarer Zukunft der Verbesserung der Datenerfassung und -analyse eingeräumt. Benutzer benötigen eine immer mehr ausgefeilte Mustererkennung, um die 3D-Modellierung, Bildverarbeitung und –analyse und andere intelligente Funktionen zu verbessern, die in direktem Zusammenhang mit dem kommerziellen Einsatz moderner Drohnen stehen.

Boris Shiklo

Die Macher der eingangs erwähnten Studie prognostizieren ein deutliches Wachstum der Marktnachfrage in Deutschland. Es heißt darin auch, dass Drohnen ab 2026 in den wesentlichen Sektoren flächendeckend im Einsatz sein werden. Nur die Adaptionsraten und -geschwindigkeiten dürften sich je nach Sektor unterscheiden. Für einige Anwendungsbereiche stehen noch regulatorische Hindernisse im Weg, woraus sich Verzögerungen bei der Technologieeinführung ergeben.

* Boris Shiklo hat seine Karriere bei ScienceSoft als C ++ und Datenbankentwickler begonnen. Seit 2003 verantwortet er als technischer Geschäftsführer für eine langfristige technologische Vision des Unternehmens und die Entwicklung von Innovationsstrategien.Boris Shiklo bei LinkedIn und bei Twitter.

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