Drohnen für das Coastal Enviro Management

Justin Manley • 20 März 2019

Ein Zeitraffer von EagleRay, der von Meer zu Himmel wechselt (Credit NCSU)

Eine VTOL-Drohne über Monterey Bay. (Kredit: MBARI)

Eine kommerzielle Hexacopter-Demonstration. (Bildnachweis: J. Manley)

Unbemannte Antennensysteme (UAS), allgemein Drohnen genannt, haben im maritimen Bereich zunehmend an Bedeutung gewonnen. Mit den Kapazitäten dieser Plattformen haben auch ihre Beiträge zur maritimen Wissenschaft, Verteidigung und Industrie zugenommen. In Anerkennung dessen haben die Alliance for Coastal Technologies (ACT) und der Nordöstliche Regionalverband der Küsten- und Meeresbeobachtungssysteme (NERACOOS) mit Unterstützung des Integrated Ocean Observing System (IOOS) der USA einen Workshop über praktische Anwendungen für Drohnen im Adressmanagement abgehalten Probleme in Küstenzonen der Wells National Estuarine Research Reserve (WNERR) Ende des Jahres 2018 in Wells, Maine. Der Workshop sollte den Austausch von Informationen und bewährten Verfahren erleichtern, um die rasch wachsenden Anwendungen von Drohnen im Küstenmanagement zu unterstützen.

Workshop-Zusammenfassung
Ziel des Workshops war es, den Stand der Technik in UAS für Forschung und Überwachung zusammenzufassen, Beispiele für die aktuelle Nutzung in diesem Bereich zusammenzustellen, die mit der FAS verbundenen Einschränkungen und logistischen Herausforderungen zu verstehen, Betriebs- und Datenmanagement / Best Practices zu entwickeln, und beschreiben zukünftige Entwicklungen und Anwendungen für Küstenmeßsysteme. Ein umfassender Workshop-Bericht ist auf der ACT-Website (www.act-us.info) verfügbar.

Im Rahmen des Workshops wurde außerdem versucht, die Herausforderungen der wirklich quantitativen multispektralen und hyperspektralen Fernerkundung in Küstenumgebungen sowie die rechtlichen und datenschutzrechtlichen Fragen im Zusammenhang mit dem Einsatz von Drohnen in öffentlichen und privaten Landschaften sowie in Meeresräumen zu untersuchen.
Um den breiten Input und den sektorübergreifenden Austausch von Informationen zu fördern, zählten die Workshopteilnehmer privatwirtschaftliche UAS-Technologieentwickler und -Dienstleister, akademische Forscher, die UAS entwickelten und / oder verwenden, sowie Mitarbeiter der Regierungsbehörden mit Erfahrung in der Nutzung von UAS oder

UAS-Daten oder Arbeiten an Managementproblemen, die mit UAS behandelt werden könnten.

Am ersten Tag des Workshops wurden Feldtypen mit drei Arten von UAS gezeigt: Quadcopter, Starrflügel und Hexacopter.

Der zweite und dritte Tag waren Podiumsdiskussionen mit Vorträgen zu folgenden Themen:

• Drohnen zur Erkundung von Lebensräumen
• Drohnen zur Erkennung und Überwachung schädlicher Algenblüten (HAB) in Florida
• Drohnen als Instrument zur Vermessung von Gezeitensümpfen an drei Standorten an der Ostküste, der Golfküste und der Westküste
• Einsatz von Drohnen für Küsten- / Offshore-Sektionen und andere Forschungsarbeiten in der Monterey Bay
• Entwicklung von Drohnen, die in der Luft und auf See eingesetzt werden

Wells National Estuarine Research Reserve begrüßt Drohnen. (Bildnachweis: J. Manley)

Jeder Panelsitzung folgten Gruppendiskussionen. Zu den Plenartagungen gehörten Berichterstattungen der Breakout-Gruppen und Diskussionen in großen Gruppen über das Panel und Breakout-Themen. Die wichtigsten Mitteilungen zum Mitnehmen aus den Präsentationen und Diskussionen waren die folgenden:

• Die UAS sind zwar ein neues Instrument für das Küstenmanagement, ihr Wert wurde jedoch für eine Vielzahl von Anwendungen demonstriert, z. B. für die Erfassung von Lebensräumen, die Überwachung von Wildtieren, die Erkennung von Korallenbleiche, das Management von Muscheln, das Aufspüren von Meeresschutt, die Überwachung des Küstenwechsels, das Management von Stränden und Sandressourcen, Kartierung von Überschwemmungsgebieten sowie Inspektion von Brücken und anderen Strukturen.
• UAS könnte auch in vielen anderen Managementkontexten hilfreich sein, z. B. bei der Erkennung und Verfolgung schädlicher Algenblüten (HAB), bei der Überwachung von Interaktionen zwischen Mensch und Tier, bei der Überwachung der Wasserqualität, bei der Verfolgung von Schadstoffen und bei der Überwachung der Gezeitenmarschstabilität.
• Manager sind bestrebt, Drohnen einzusetzen, aber wie man sie benutzt, wird nicht immer verstanden. Es ist wichtig, zunächst mit der Frage „Was ist die Managementfrage oder das Problem?“ Zu beginnen. Dies bestimmt, welche Daten benötigt werden und wie sie erhoben werden sollen, was Drohnen sein können.
• Wie bei allen Daten müssen Drohnen-Daten in Informationen übersetzt werden, die dann zur Verwaltung verwendet werden können.
• Der Einsatz von Drohnen zur Erfassung genauer quantitativer Geodaten ist eine Herausforderung und erfordert fortgeschrittene technische Fähigkeiten und Kenntnisse. In der Regel ist es notwendig, Experten für Drohneneinsätze und Datenverarbeitung einzustellen.
• Best Practices für die Verwendung von Drohnen zur Erfassung von Geodaten sind gut etabliert. Anleitungen zu Best Practices finden Sie in Publikationen wie dem PrecisionHawk-E-Book Beyond the Edge und dem USGS-Datenverwaltungsplan für unbemannte Luftfahrzeugsysteme 2015.
• Die Workshopteilnehmer erkannten kurze Flugzeiten aufgrund von Batteriebeschränkungen als eine der derzeit größten Einschränkungen in der Drohnentechnologie. Andere erwünschte technologische Verbesserungen umfassen erweiterte Nutzlastfähigkeiten, Modularität, damit Drohnen unterschiedliche Nutzlasten / Sensoren transportieren können, Allwetterfähigkeiten, „intelligentere“ Drohnen mit Situationsbewusstsein, erhöhte Datenspeicherkapazität, Standardisierung von Datentypen, Verbesserungen im Datenmanagement, z Datenverarbeitung an Bord und Funktionen, die über Bilddaten und Fernerkundung hinausgehen, z. B. die Bereitstellung von Wasserprobenahmegeräten.
• Gesetze und Vorschriften beschränken den Einsatz von Drohnen für die Erforschung und das Management von Ozeanen und Küsten. Zum Beispiel können Drohnen nur unter 400 Fuß geflogen werden und müssen jederzeit in Sichtweite des Piloten bleiben. Jede Drohne muss von einem dedizierten, lizenzierten Piloten geflogen werden. Das bedeutet, dass mehrere Drohnen nicht wie in einem Schwarm von einem einzelnen Piloten gesteuert werden können. Eine weitere wichtige Überlegung ist, dass die Unsicherheit über mögliche Änderungen von Gesetzen und Vorschriften es schwierig macht, Forschung zu planen.
• Das Testen und Bewerten von UAS-Plattformen und -Sensoren durch eine unabhängige Stelle wie ACT wäre für Forscher, Manager und Techniker von Nutzen.

Technologie-Highlights
Auf dem Workshop wurden mehrere innovative Technologien vorgestellt. Ein zentrales Anliegen für alle unbemannten Systeme ist die Nutzlast. Während dieses Workshops diskutierten Forscher des Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) die Verwendung eines Flightwave Edge, eines Hybrid-Trikopter-Flächenflugzeugs. Es kann mit der VTOL-Technologie (Vertical Take Off and Landing) starten und landen. Es kann auch nahtlos vom Schwebeflug zum Vorwärtsflug und wieder zurück wechseln. Dank des austauschbaren Twistlock-Nutzlastsystems können die Betreiber mehrere Missionen mit einem einzigen Flugzeug fliegen. Die MBARI-Betreiber nutzten diese Drohne in Kombination mit einem FLIR-Imager für die thermische Frontabbildung. Sie verwendeten auch sehr hochauflösende Kameras und konnten sowohl Tiere im Wasser, in diesem Beispiel Quallen, als auch Vögel im Flug identifizieren.

Neben den Feldergebnissen von MBARI und anderen Wissenschaftlern stellte der Workshop neue Ideen für Drohnen vor, die sowohl in der Luft als auch unter Wasser eingesetzt werden können. Die North Carolina State University stellte Konzepte für domänenübergreifende autonome Fahrzeuge (XAVs) vor. Mit DARPA-Sponsoring und einer Partnerschaft mit Teledyne Scientific baute dieses Team eine Drohne mit festem Flügel, die fliegen und schwimmen kann. Dieses System mit dem Namen EagleRay wurde zwischen 2015 und 2016 ausgiebig entwickelt und getestet. Das EagleRay-Fahrzeug ist ein UAV-UUV-Hybrid, der auf einem VTOL-Design mit festem Flügel basiert. Es wurden zwei Iterationen aufgebaut und ein vollständiger Schwimmfliegen-Schwimmzyklus demonstriert. Version 2 beinhaltet Autopilot-Hardware und Sensoren für den autonomen Betrieb. Passiv überflutbare / ableitbare Kammern ermöglichen dem Fahrzeug einen nahezu neutralen Auftrieb, lassen jedoch beim Austritt schnell Ballastwasser ab. Zwei aktive Auftriebskompensator-Designs wurden ebenfalls getestet. Der Propellerantrieb wird von bürstenlosen Elektromotoren angetrieben. Getestet wurden getrennte Luft- und Wasserantriebssysteme sowie Systeme mit doppeltem Verwendungszweck

Eine weitere neue Technologie, die auf dem Workshop diskutiert wurde, war der SeaHawk von Igloo Innovations. Es gibt zwei Varianten dieses neuen Designs, SeaHawk Alfa und SeaHawk Chimera. Der Alfa sieht aus wie ein typischer Quadrocopter und verhält sich ähnlich in der Luft. Im Gegensatz zu einem Quadrocopter befindet sich auf dem Alfa eine abnehmbare Boje, die drahtlose Telemetrie zur Kontrollstation enthält. Wenn das Fahrzeug eintaucht, bleibt die Boje an der Oberfläche und mit dem Fahrzeug verbunden, wodurch die Kommunikation aufrechterhalten wird. Die Boje kann für vollständig autonome Unterwasserbetrieb entfernt werden. Der Alfa hat eine Nutzlast von 5 kg und eine maximale Fluggeschwindigkeit von 60 km / h. Ein spezielles Unterwasserantriebssystem bewegt den Alfa unter Wasser mit Geschwindigkeiten von bis zu 4 kn. Seine Betriebstiefe beträgt 50 m (150 ft) und kann in jedem Medium zusammen ungefähr 60 Minuten betrieben werden. Die Chimäre sieht ähnlich aus wie der Alfa, nur dass das Fahrzeug an der Oberfläche bleibt und nur die Nutzlast unter Wasser eingesetzt wird. Mit einer Traglast von bis zu 20 kg ist das Fahrzeug als modulare Plattform gedacht, um ein breiteres Spektrum an Nutzlasten zu transportieren als der Alfa. Zum Beispiel kann die Nutzlast ein ROV oder ein AUV sein, die erweiterte Unterwasserfunktionen bieten. Die Chimäre kann auch über dem Wasser schweben und eine Probenahmevorrichtung absenken, um Proben mit minimaler Störung der Wasseroberfläche zu sammeln.

Die Diskussionen, Demonstrationen und Präsentationen aufkommender Technologien auf dem ACT-Workshop waren beeindruckend. Leser, die an weiteren Informationen interessiert sind, können sich an ACT wenden.

Oben und unten: Die SeaHawk-Flug- / Schwimmdrohne (Credits: Iglu-Innovationen)