Einführung

Eine Drohnenshow zu sehen, sollte ein großartiges Erlebnis sein.

Drohnenshows sind eine fabelhafte Ergänzung zu Live-Unterhaltungsveranstaltungen. Nach einer Phase der raschen Einführung sind sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil jeder hochkarätigen Produktion geworden - zusammen mit Beleuchtung, Lasern und Feuerwerk - und können selbst Zuschauer, die schon alles gesehen haben, überraschen und verblüffen.

Leider hat, wie bei vielen neuen Technologien, das schnelle Wachstum dazu geführt, dass einige Unternehmen dem Profit Vorrang vor der Sicherheit geben. Einige neue Marktteilnehmer verfügen nur über begrenzte Erfahrung und wissen noch nicht, wie sie ihre Kaufoptionen umfassend bewerten können. Viele Entscheidungen werden aufgrund des Preises getroffen, und Probleme werden erst erkannt, wenn es zu spät ist. Sicherheit ist ein nachträglicher Gedanke.

Das Engagement von Verge Aero für die Sicherheit.

In jüngster Zeit haben aufsehenerregende Unfälle die entscheidende Bedeutung der Sicherheit unterstrichen. Da Drohnenshows immer ehrgeiziger werden und eine immer größere Verbreitung finden, sollte die Gewährleistung höchster Sicherheitsstandards nicht nur eine gesetzliche Anforderung, sondern eine grundlegende Verantwortung sein. In diesem Whitepaper wird erläutert, was Verge Aero als wesentliche Merkmale einer sicheren Drohnenshow ansieht, und potenziellen Lichtshow-Kunden wird erläutert, worauf sie bei der Kaufentscheidung achten sollten.

Was macht ein sicheres Drohnen-Show-System aus?

Verge Aero ist der Ansicht, dass ein sicheres Drohnen-Show-System diese fünf Hauptelemente enthalten muss:

1. Navigation Redundanz

2. Geeignete und aktualisierte Software

3. Mehrere und unabhängige Geofence-Systeme

4. Zuverlässige Kommunikation mit großer Reichweite

5. Ausbildung und Sicherheitsmanagement

1. Navigation Redundanz

Dies ist zweifellos die wichtigste Sicherheitsfunktion für Drohnen und Drohnenflotten.

Redundanz ist in der gesamten Luftfahrt unerlässlich. Mehrere Avioniksysteme (elektronische Flugzeugnavigationssysteme) bieten Redundanz für bemannte Flugzeuge. Jede Drohne, die in der Nähe von Menschen operiert, sollte über dieselben Systeme verfügen.

Die meisten Drohnen verwenden einen sogenannten EKF-Schätzer(Extended Kalman Filter), um präzise zu navigieren. Dieser Algorithmus berechnet Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung durch die Kombination von Eingaben von Datensensoren wie GPS- (Global Positioning System) und IMU- (Inertial Measurement Unit) Sensoren.

Leider verfügen viele Drohnensysteme, die heute in Betrieb sind, nur über einen einzigen Schätzer, und einige verwenden noch primitivere Implementierungen. Dies hat dazu geführt, dass Drohnen immer wieder aus den ausgewiesenen Fluggebieten herausfliegen und mehrere aufsehenerregende Unfälle verursachen.

Schätzer können bei Kollisionen oder Sensorausfällen nicht mehr richtig funktionieren, was dazu führt, dass Drohnen außer Kontrolle geraten, den Sicherheitsbereich einer Ausstellung durchbrechen und schnell weite Strecken fliegen können. Drohnen mit nur einem einzigen Schätzer haben daher keine Redundanz und sind von Natur aus weniger sicher.

Es ist wichtig, den Unterschied zwischen Schätzern und Sensoren zu kennen und zu wissen, warum es wichtig ist, mehrere von beiden zu haben. Eine Reihe von Sensoren liefert Messungen der Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung der Drohne. EKF-Schätzer sind darauf ausgelegt, diese Messungen (sowie nichtlineare, reale Faktoren wie Windböen) auszuwerten, fehlerhafte Daten zu verwerfen und die genauesten Messungen für die Position, Geschwindigkeit und Ausrichtung der Drohne zu ermitteln. Im offiziellen Handbuch der weltweit führenden Autopilot-Software für Drohnen, PX4, heißt es, dass mehrere EKF-Schätzer "Schutz vor einer größeren Bandbreite von Sensorfehlern" bieten.

Viele Systeme behaupten, durch die Verwendung mehrerer Sensoren eine angemessene Redundanz zu haben, aber ohne mehrere Schätzer. Eine solche Konfiguration vermittelt ein falsches Gefühl von Sicherheit. Diese Systeme sind problematisch, weil sie, wie im PX4-Leitfadenerwähnt, kann ein einzelner Schätzer nur "eine begrenzte Anzahl von Sensorfehlern" berücksichtigen und kann ungenaue Sensordaten nicht erkennen, was das größere Problem ist. Ein System mit redundanten Sensoren, aber ohne redundante Schätzer, schützt nur vor dem Verlust von Sensordaten, nicht aber vor Sensorungenauigkeiten, die weitaus häufiger und wichtiger sind.

Die Verge Aero®-Drohnenshowplattform hat von Anfang an auf Navigationsredundanz gesetzt. Das Flaggschiff, die X7™-Drohne, verfügt über zwei unabhängige Sätze von Navigationssensoren, die vier Schätzer ermöglichen. Das Arbeitspferd X1™ verfügt über drei Sätze von Navigationssensoren, die sechs Schätzer ermöglichen. Die zusätzliche Redundanz der X1 macht sie ideal für anspruchsvollere Einsätze, wie z. B. den Einsatz von pyrotechnischen Geräten.

2. Geeignete und aktuelle Software

Damit die Schätzer einer Drohne richtig funktionieren, müssen sie von einer geeigneten Autopilot-Software unterstützt werden. Die meisten Drohnen verwenden PX4, dessen Sicherheitsfunktionen im Laufe der Jahre erheblich verbessert wurden. Erst die neuesten Versionen (ab Version 1.15) ermöglichen die volle Nutzung mehrerer Schätzer. Genauso wie es wichtig ist, Computer durch Betriebssystem-Updates sicher zu halten, ist es unerlässlich, die neuesten Sicherheitsverbesserungen des Autopiloten in Drohnen zu integrieren.

Ebenso ist eine einheitliche Design- und Steuerungssoftware, die speziell für Drohnenshows entwickelt wurde, im Allgemeinen sicherer als die Verwendung eines Flickenteppichs von Softwareanwendungen, die Inkompatibilitäten und unbeabsichtigte Fehler aufweisen können. Geeignete Software für Drohnenshows berechnet automatisch die Flugwege für jede Drohne während der gesamten Flugsequenz und validiert sie mathematisch, um Kollisionen zu vermeiden.

Geeignete Software hilft den Menschen auch, Fehler zu vermeiden. In der bemannten Luftfahrt konzentriert sich der Pilot auf das Fliegen des Flugzeugs und nicht auf die Ausführung von Aufgaben, die leicht automatisiert werden können. Moderne Avionik hat den Betrieb rationalisiert, um Prozesse zu automatisieren, die für menschliche Fehler anfällig sind, und dadurch die Sicherheit zu erhöhen. Die FAA hat die Vorteile der Automatisierung zur Verringerung der Arbeitsbelastung der Piloten und des Unfallrisikos schon lange erkannt.

Das Gleiche gilt für Drohnenshows. Der Pilot muss darauf vertrauen können, dass das System die Show sicher durchführt, damit er sich auf seine Sicherheitsaufgaben konzentrieren kann. Kritische Sicherheitsschwachstellen - wie die Flugbahndekonfizierung - sollten nicht manuell oder mit Software von Drittanbietern gehandhabt werden. Bei der Prüfung, ob eine Drohnenshow sicher durchgeführt werden kann, darf es keinen Raum für menschliche Fehler geben.

Verge Aero investiert kontinuierlich in Forschung und Entwicklung, um modernste Technologie einzusetzen. Die Automatisierung ist ein wesentlicher Bestandteil des Verge Aero-Systems. Unsere zugrundeliegende Software berechnet die Flugwege für die gesamte Flugsequenz - vom Drehen der Propeller bis zur Landung des Flugzeugs - und validiert die Flugwege mathematisch, um sicherzustellen, dass sie sich nicht kreuzen, bevor die Show überhaupt geflogen wird. Dieses vollständig integrierte Technologiepaket maximiert sowohl die Sicherheit als auch die Effizienz und macht den Prozess der Showerstellung einfach und benutzerfreundlich.

3. Mehrere, unabhängige Geofence-Systeme

Ein Geofence ist eine virtuelle Begrenzung, die den Ausstellungsbereich einer Drohnenshow umgibt. Wenn er korrekt funktioniert, verhindert er, dass Drohnen das vorgesehene Fluggebiet verlassen. Mehrere Geofences, die von unabhängigen Prozessoren betrieben werden, erhöhen die Redundanz und Sicherheit.

Die meisten Drohnenshow-Systeme verwenden sowohl einen "weichen" als auch einen "harten" Geofence:

• Ein "Soft Geofence" ist eine virtuelle Grenze, die einen "Return to Home"- oder "Land"-Befehl auslöst, wenn eine Drohne sie durchbricht.

• Ein harter Geofence umfasst den gesamten Ausstellungsluftraum und führt dazu, dass die Motoren der Drohne sofort abgeschaltet werden und die Drohne im freien Fall zu Boden fällt, wenn die Drohne den harten Geofence verletzt (nachdem sie zuvor den weichen Geofence ignoriert hat).

Die Verge Aero-Drohnenshow-Plattform verwendet ein dreifach redundantes Geofence-System, das aus einem "Dynamic Bubble"-Soft-Geofence, einem Hard-Geofence und einem Predictive Trajectory Hard-Geofence besteht. Diese drei Geofence-Systeme stellen sicher, dass die Drohnen innerhalb des sicheren Betriebsbereichs bleiben, um Unfälle durch außer Kontrolle geratene Drohnen zu vermeiden. (Für eine zusätzliche Redundanzstufe werden zwei der drei Geofences von unabhängigen Bordcomputern gesteuert).

Weiche Geofences vs. "Dynamic Bubble" Geofencing

Ein standardmäßiger weicher Geofence liegt innerhalb des harten Geofence und fungiert im Wesentlichen als sekundärer harter Geofence. Eine Drohne sollte ihre Mission bei Erreichen dieser Grenze sofort beenden und eine "Rückkehr nach Hause" oder eine kontrollierte Landfunktion ausführen.

Der Soft Geofence von Verge Aero besteht aus mehreren "dynamischen Blasen", die jeder Drohne ihren eigenen unabhängigen, beweglichen Geofence bieten. Siehe Abbildung 1 für eine Illustration des dynamischen Blasen-Geozäuns im Gegensatz zum Standard-Soft-Geozaun-Konzept.

Verge Aero's Dynamic Bubble Soft Geofence hält eine Drohne innerhalb weniger Meter von ihrer Zielposition, anstatt ihr zu erlauben, potentiell weit vom Kurs abzuweichen, bevor eine Mission abgebrochen wird. Weicht eine einzelne Drohne so weit von ihrem Flugweg ab, dass sie ihren "Blasen"-Radius verletzt, landet sie sofort, indem sie kontrolliert senkrecht nach unten sinkt, bis sie den Boden erreicht und die Motoren abgeschaltet werden.

Im Gegensatz dazu lösen herkömmliche weiche Geofences nur dann einen "Rückkehrbefehl" aus, wenn sie eine Grenze erreichen, die im Wesentlichen etwas kleiner ist als der gesamte Luftraum der Sendung. Wenn eine Drohne diesen Punkt erreicht, kann sie sich bereits weit von ihrem geplanten Flugweg entfernt haben. Verge Aero hat herausgefunden, dass der "Dynamic Bubble"-Ansatz ein weitaus effektiverer Weg ist, um eine sichere Drohnenshow aufrechtzuerhalten, als ein Standard-Soft-Geofence.

Harte Geofences und "Predictive Trajectory" Geofencing

In vielerlei Hinsicht sind herkömmliche Geofences für Drohnenshows nicht ideal. Im Gegensatz zu anderen Luftfahrtarten, bei denen Flugzeuge überall innerhalb eines bestimmten Raums fliegen können, sind Drohnenshows genau choreografiert. Die Drohnen sind so programmiert, dass sie eine bestimmte, vorher festgelegte Route fliegen. Das Kontrollsystem weiß immer, wo sich eine Drohne befindet und wo sie sein soll. Andernfalls sollte der Flug sofort abgebrochen werden.

Normalerweise ist es klar, dass etwas schief gelaufen ist, lange bevor eine Drohne den harten Geofence erreicht. Aus diesem Grund hat Verge Aero festgestellt, dass ein vorausschauender Flugbahn-Geozaun sehr nützlich ist. Wenn eine außer Kontrolle geratene Drohne den harten Geofence erreicht, wird sie durch ihre Schwungkraft über diese Grenze hinausgetrieben, selbst wenn ihre Motoren sofort abgeschaltet werden. Es ist besser, eine Drohne am Boden zu halten, sobald Anomalien festgestellt werden, um ein Überschreiten des harten Geofence zu verhindern - das ist das Konzept hinter dem "Predictive Trajectory"-Geofence von Verge Aero. Dieses System sagt voraus, ob eine Drohne den harten Geofence in der Zukunft verletzen wird, indem es ihren Schwung berücksichtigt und die Motoren der Drohne rechtzeitig ausschaltet, damit sie innerhalb des harten Geofence landen kann, wie in Abbildung 2 unten dargestellt.

4. Zuverlässige, weitreichende Kommunikation

Stellen Sie sich vor, Sie sind Pilot einer Drohnenshow und werden gerade benachrichtigt, dass ein bemanntes Flugzeug im Anflug ist. Sie müssen die Show sofort beenden, aber die Flotte ist nur wenige hundert Meter vom Startplatz entfernt. Dank der zuverlässigen Langstrecken-Kommunikationsverbindung, die Sie mit jeder Drohne haben, sind Sie in der Lage, die Flotte sofort und sicher zu landen.

Die Notfallkommunikation über große Entfernungen ist ein weiteres wichtiges Sicherheitselement eines Drohnenshow-Systems. Das Konzept ist einfach: Wenn Sie nicht mit jeder Drohne zu jeder Zeit kommunizieren können, können Sie Ihre Flotte im Notfall nicht sicher landen. Wenn die Kommunikation nicht gewährleistet ist, besteht ein erhöhtes Unfallrisiko.

Viele Drohnensysteme nutzen WiFi für ihre primäre Kommunikation. WiFi ist jedoch nicht immer zuverlässig, wenn man in städtischen oder überlasteten Umgebungen fliegt, da es so viele mögliche Störquellen und Frequenzüberlastungen gibt. Außerdem bietet WiFi keine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über große Entfernungen, ohne dass zusätzliche Bodenhardware zur Verstärkung des Signals eingesetzt wird - ein weiterer potenzieller Fehlerpunkt.

Ohne eine zuverlässige, weitreichende Kommunikationsverbindung mit jeder Drohne kann nicht garantiert werden, dass die Sicherheitsverfahren funktionieren. Je stabiler die Kommunikation ist, desto mehr Informationen stehen dem Betreiber zur Verfügung, um den Zustand des gesamten Systems zu überwachen - und bei Bedarf schnell vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen.

Das Konzept von Verge Aero für die Notfallkommunikation über große Entfernungen umfasst Zuverlässigkeit und Redundanz. Unser System verwendet drei Kommunikationsverbindungen (alle für die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation über große Entfernungen), die in zwei Bändern arbeiten. Es verfügt sowohl über ein Dual-Band-Telemetrie-Funksystem als auch über ein Langstreckenfunkgerät:

• Das Telemetrie-Funkgerät ist ein Dual-Band-Funkgerät mit mittlerer Reichweite (500+ Meter) und höherer Bandbreite (2,4GHz und Sub-1GHz).

• Der Langstreckenfunk hat eine theoretische Reichweite von 15 km und eine praktische Reichweite von 5-10 km und wird für alle sicherheitskritischen Nachrichten verwendet.

5. Ausbildung und Sicherheitsmanagement

Vieles von dem, was eine unglaublich sichere kommerzielle Luftfahrtindustrie geschaffen hat, ist auch für Drohnen relevant. Strenge Schulungen, Sicherheitsmanagementsysteme und Richtlinien für die Entscheidungsfindung in der Luftfahrt sind allesamt Teil der sicheren Luftfahrt - ob bemannt oder unbemannt. Scheinbar unbedeutende Details haben oft dramatische Auswirkungen auf die Durchführung einer Show, weshalb es unerlässlich ist, stets mit höchster Professionalität zu arbeiten.

Drohnenpiloten müssen dieselbe Art von Erst- und Wiederholungsschulung absolvieren, die auch für andere Berufspiloten üblich ist. Mit zunehmender Erfahrung sind sie in der Lage, immer komplexere Aufgaben zu übernehmen. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Gerätehersteller die Piloten mit umfassenden und fortlaufenden Schulungsprogrammen unterstützen, um ihre Fähigkeiten zu verbessern. Piloten müssen ihre Technik in- und auswendig kennen, um schnell auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren zu können. Schulung und praktische Erfahrung sind entscheidend für die Entwicklung von Weltklasse-Piloten.

Darüber hinaus müssen die Piloten von Betrieben unterstützt werden, die sich auf die Qualitätskontrolle konzentrieren, um gut gewartete Drohnen zu liefern. Unternehmen mit einem umfassenden Sicherheitsmanagementsystem sind am besten in der Lage, Risiken in allen Aspekten ihres Geschäfts zu bewerten und zu mindern. Es sollte eine gesunde Sicherheitskultur gepflegt werden, um sicherzustellen, dass potenzielle Probleme erkannt und angegangen werden.

Schließlich müssen die Piloten ausgeruht sein und klar denken können, um gute Entscheidungen zu treffen. Piloten drücken nicht einfach auf "Go" und lehnen sich dann zurück und entspannen sich! Sie müssen zu 100 % bei der Sache sein und mit voller Kraft arbeiten. Müdigkeit, Selbstzufriedenheit und Stress beeinträchtigen die Fähigkeit eines Piloten, Risiken zu managen und das Situationsbewusstsein aufrechtzuerhalten. Die Einhaltung etablierter Grundsätze der fliegerischen Entscheidungsfindung trägt zur Sicherheit von Drohnenflügen bei.

Das Engagement von Verge Aero für die Sicherheit

Jeder Passagier einer kommerziellen Fluggesellschaft erwartet, dass Flugreisen sicher und ohne Zwischenfälle verlaufen - und das zu Recht. Ein Jahrhundert bemannte Luftfahrt hat zu einer Branche mit einer unglaublichen Sicherheitsbilanz geführt. Weniger als einer von einer Million Flügen ist mit einem Unfall verbunden; die Zahl der Unfälle mit Todesfolge ist noch viel geringer. Diese außergewöhnliche Bilanz ist das Ergebnis jahrzehntelanger strenger Vorschriften, technologischer Fortschritte, redundanter Sicherheitssysteme, umfangreicher Schulungen und des Engagements, die Sicherheit der Zukunft zu verbessern, indem wir kontinuierlich aus den Fehlern der Vergangenheit lernen.

Drohnen sind Luftfahrzeuge und müssen genauso professionell und verantwortungsbewusst betrieben werden wie jedes andere Luftfahrzeug.

Für die Zuschauer einer Drohnenshow sollte das nicht anders sein. Durch die Nutzung bewährter Verfahren aus der regulären Luftfahrt können Drohnenshows ebenso sicher gestaltet werden. Verge Aero hat diesen Ansatz von Anfang an verfolgt und die Systeme von Grund auf mit Blick auf Redundanz und Sicherheit entwickelt, während sie gleichzeitig ständig aktualisiert werden, um die Vorteile neuer Technologien voll auszuschöpfen.

Wir ermutigen die Branche, bewährte Praktiken zu übernehmen, um die Sicherheit zu maximieren und in den Vordergrund zu stellen. Ein einziger Fehler kann zu Rufschädigung, finanziellen Verlusten und - was am wichtigsten ist - zu potenziellen Schäden für die Zuschauer führen. Drohnenshows haben so viel Potenzial. Wir sollten es nicht vergeuden, indem wir an der Sicherheit sparen.

Fragen, die bei der Bewertung eines Drohnenshow-Systems zu stellen sind

Verfügt das System durch die Verwendung mehrerer Schätzer über eine echte Navigationsredundanz?

• Es sind mehrere unabhängige Schätzer und Sensoren erforderlich. Ein ordnungsgemäß redundantes System hat mindestens zwei Sätze von IMUs (Sensoren), die vier unabhängige EKFs (Schätzer) ausführen.

Ist die Steuerungssoftware auf dem neuesten Stand?

• Wenn der PX4-Autopilot von den Drohnen verwendet wird, handelt es sich dann um die Version 1.15 oder eine neuere? Diese Version des PX4-Autopiloten enthält mehrere Sicherheitsverbesserungen.

Wie funktioniert das Geofencing-System?

• Mehrere Geofences sorgen für maximale Sicherheit und Redundanz. Wird jeder von ihnen von einem eigenen Prozessor betrieben?

Wie viele Langstrecken-Notfallkommunikationsverbindungen werden verwendet? Sind sie Dual- oder Single-Band? Ist WiFi die primäre Verbindung?

• Drei Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindungen, einschließlich eines Dual-Band-Funksystems, sind ideal.

• In überlasteten Gebieten ist das WiFi wahrscheinlich unzuverlässig.

Welche Software wird für die Erstellung und Durchführung der Show verwendet? Ist sie vollständig integriert?

• Im Idealfall wird die Startsequenz automatisch von der gleichen Software generiert, die auch den Rest der Show steuert.

Wie ist die Sicherheitsbilanz des Unternehmens und der Piloten, die die Show durchführen?

• Wie werden die Piloten ausgebildet? Wie sieht ihr Sicherheitsmanagementsystem aus?

• Wie oft haben sie schon Erfahrungen mit wegfliegenden / außer Kontrolle geratenen Drohnen gemacht?

Wie steht es um die Sicherheit der in der Show verwendeten Drohnentechnologie?

• War derselbe Drohnentyp bereits in Unfälle mit anderen Betreibern verwickelt?

Wie viel Erfahrung hat der Pilot?

• Wie viele Shows haben sie geflogen? Wie viel Ausbildung haben sie erhalten? Sind sie Vollzeitbeschäftigte?

Über die Autoren

Nils Thorjussen, Anthony Merlino, Christopher Franzwa und Tony Samaritano verfügen zusammen über mehr als vierzig Jahre Erfahrung in der Entwicklung und Weiterentwicklung von Drohnenshow-Technologien. Mit der Entwicklung des schlüsselfertigen Drohnenshow-Systems Verge Aero haben sie Pionierarbeit im Bereich der Drohnenshow-Unterhaltung geleistet. Ihre Bemühungen, kombiniert mit denen der Mitglieder des Verge Aero-Teams seit dessen Gründung im Jahr 2016, haben Drohnenshows in den Mainstream globaler Veranstaltungen gebracht und dazu beigetragen, dieses Medium als festen Bestandteil der Live-Unterhaltung zu etablieren.

Heute wird das Verge Aero-System von professionellen Produktionsteams auf der ganzen Welt eingesetzt. Es wurde verwendet, um Shows für hochkarätige Veranstaltungen zu fliegen, darunter die Siegesfeier des designierten Präsidenten Biden, America's Got Talent: Extreme, Macy's Fourth of July in New York City, Festivals wie Lollapalooza, die feierliche Sprengung des Tropicana Hotels und Casinos in Las Vegas und viele mehr.

Verge Aero ist weltweit von Luftraumbehörden wie der Federal Aviation Administration (FAA) und der European Aviation Safety Agency (EASA) anerkannt. Erfahren Sie hier mehr über den Sicherheitsvorteil von Verge Aero.

Weitere Informationen erhalten Sie unter media@vergeaero.com.