Bereit zum Abheben

Vom Paketdienst über Lagerhallenlogistik bis zur Landwirtschaft: Unbemannte Flugobjekte sind keine Spielerei mehr, sondern ein ernst zu nehmendes Geschäft.

von *Bernd Reder 20.03.2017 07:00

Sie liefern Pakete aus, bringen die Pizza, vermessen Areale, untersuchen Windkraftanlagen und zeigen dem Landwirt, wo er mehr Dünger einsetzen muss. Drohnen sind auf dem besten Weg, sich von einem Spielzeug zu einem Multifunktions-Tool für kommerzielle Zwecke zu entwickeln. Doch beim Einsatz von Drohnen gibt es auch kritische Punkte wie etwa Sicherheitsfragen und der Schutz der Privatsphäre.

Drohne von Matternet, die für erste Tests der Schweizerischen Post eingesetzt wurde

Drohne von Matternet, die für erste Tests der Schweizerischen Post eingesetzt wurde © Matternet

Ein Milliardenmarkt entsteht

Mittlerweile tummeln sich Hunderte von Unternehmen in diesem Marktsegment. Dazu zählen neben den Drohnenherstellern auch die Anbieter von Zubehör wie spezielle Kameras, Steuerungssysteme und Sensoren. Hinzu kommen Entwickler von Programmen, die Drohnen intelligenter machen oder fit für spezielle Einsatzfelder, etwa für die Analyse von Bodenstrukturen oder die Überprüfung von Gebäuden. Auch Fluggesellschaften wie die Lufthansa und der Flugzeughersteller Airbus bieten inzwischen Drohnen und darauf basierende Services an.

Das amerikanische Beratungshaus PricewaterhouseCoopers (PwC) schätzt, dass der weltweite Markt für Drohnen und Dienstleistungen, die mithilfe solcher Fluggeräte erbracht werden, im Jahr 2020 ein Volumen von rund 127 Milliarden Dollar aufweist. Die wichtigsten Segmente sind mit 45 Milliarden Dollar die Überwachung und Analyse von In­frastrukturen wie Pipelines, Gebäude, Industrieanlagen und Kraftwerke. Auf dem zweiten Platz rangiert mit 32 Milliarden Dollar der Agrarsektor. Drohnen können bei Konzepten wie «Precision Farming» eine wichtige Rolle spielen. Bei diesem Ansatz werden Detailaufnahmen von Feldern oder Weinbergen erstellt und mit speziellen Programmen analysiert. Der Landwirt kann auf Grundlage dieser Daten die Bearbeitung des Bodens optimieren, etwa indem er bestimmte Bereiche eines Feldes gezielt düngt.

Verschiedene Drohnentypen

Im zivilen Bereich lassen sich Drohnen nach Angaben des Investment-Beratungshauses Oppenheimer Equity Research drei Kategorien zuordnen:

Nano- und Mikrodrohnen sowie Systeme für den Freizeitbereich: Sie sind ab etwa 40 Franken erhältlich. Die kleinsten Modelle sind nur handtellergross und können in Räumen eingesetzt werden. Von diesen Systemen werden mehr als 10 Millionen Exemplare pro Jahr abgesetzt.

«Prosumer»-Modelle, die auch von ambitionierten Fotografen verwendet werden: Sie verfügen über einen Tragrahmen aus hochwertigen Materialien wie Kohlefaser, hochauflösende Kameras und eine komplexe Software für die Kontrolle des Fluges. Verstärkt integriert werden zudem KI-Funktionen (künstliche Intelligenz). Der Preis kann mehrere Tausend Franken betragen. Bereits 2015 wurden mehr als 1 Million dieser Systeme verkauft. Nach Angaben der Marktforschungsfirma Skylogic Research werden 61 Prozent der Prosumer-Drohnen kommerziell genutzt.

Rein professionelle Systeme: Von ihnen werden laut Oppenheimer Equity Research um die 100 000 Systeme pro Jahr produziert. Solche Drohnen verfügen über eine grössere Reichweite als Nano- und Prosumer-Modelle, lassen sich mit kostspieligen Spezialsensoren ausrüsten und können eine grös­sere Nutzlast transportieren. Beispiele für solche Systeme sind die Pakettransportdrohnen Prime Air von Amazon und Parcelcopter von DHL.

Unterschiede gibt es nicht nur in Bezug auf den Preis und die Ausstattung. Anbieter wie senseFly, einem Tochterunternehmen des französischen Drohnenherstellers Parrot, setzen auf Systeme mit starren, V-förmigen Flügeln. Solche Drohnen bewegen sich ähnlich wie Flugzeuge. Sie haben im Vergleich zu Multicoptern mit vier, sechs oder acht Propellern eine grös­sere Reichweite (bis zu einer Stunde Flugdauer) und eine höhere Geschwindigkeit (bis 110 km/h). Dafür sind sie nicht so beweglich wie Multicopter mit mehreren schwenkbaren Rotoren, die beispielsweise in der Luft stehen bleiben und variabler manövrieren können.

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Inspizieren und vermessen

«Wir sehen die Haupteinsatzgebiete von Drohnen im kommerziellen Bereich hauptsächlich in der Inspektion und Vermessung», erläutert Matthias Beldzik, Senior Marketing Manager bei Intel. «Allein, wenn wir uns die vorhandenen kartografischen Daten ansehen, fällt auf, dass ein grosser Teil von ihnen in den letzten Jahren mithilfe von Drohnen erstellt wurden.» Beldzik geht davon aus, dass sich Drohnen insbesondere bei der Vermessung schwer zugänglicher oder grossflächiger Gebiete bewähren, ebenso bei der Analyse der Felder weitläufiger Agrarbetriebe.

Ein Beispiel, wie sich Drohnen für die Inspektion von Gebäuden nutzen lassen, ist die Seestadt Aspern, ein neuer Stadtteil Wiens. Dort setzt Siemens Corporate Technology im Rahmen eines Feldversuchs Drohnen der Intel-Tochter Asctec für die Überwachung des Baufortschritts ein. Die Fluggeräte machen Aufnahmen der Gebäude und erstellen zudem ein 3D-Modell der gesamten Umgebung. Diese Informationen werden mit den Plandaten abgeglichen. Auf diese Weise können Bauplaner, Architekten und die beteiligten Baufirmen Fehler identifizieren, etwa ein fehlendes Fenster oder eine Wand mit einer falschen Ausrichtung. Vorteile der Inspektion mittels Drohne sind, dass sich solche Arbeiten schnell und ohne die Gefährdung von Arbeitern durchführen lassen. Das macht beispielsweise Kletteraktionen auf Dächern überflüssig. Vergleichbare Einsatzfelder finden sich mittlerweile in diversen Bereichen. So werden Raffinerien, Industrieanlagen, Gebäude und Windkraftanlagen per Drohne überprüft. Damit müssen an Gefahrenstellen keine Menschen mehr eingesetzt werden. Ausserdem erspart eine Inspektion aus der Luft den Einsatz von Kränen und Liftsystemen.

Moderne Luftpost

Noch nicht klar ist, ob sich Drohnen als Pöstler etablieren werden. Die Paketdienste DHL und DPD haben in verschiedenen europäischen Ländern erste Versuche mit Drohnen hinter sich, ebenso der Onlinehändler Amazon. Die Schweizerische Post experimentiert seit 2015 mit Drohnen, um die Bedürfnisse und Möglichkeiten rechtzeitig und richtig einzuschätzen. Bislang sieht die Post einen Einsatz aber nur in speziellen Fällen als realistisch an. Etwa in Notsituationen, um nach einem Unwetter von der Umwelt abgeschnittene Siedlungen zu erreichen. Ebenfalls denkbar ist der Eiltransport höchst prioritärer Sendungen wie Laborproben. Bis im Sommer 2017 will die Post den ersten kommerziellen Dienst anbieten: Einen Luft-Shuttle, der zwei Standorte einer Firma verbindet.

Welche konkrete Anwendung sich durchsetzen wird, hängt auch davon ab, wie rasch die regulatorischen Voraussetzungen geklärt werden. Für die Zulassungsbewilligung soll die Post in engem Kontakt mit dem Bundesamt für Zivilluftfahrt (BAZL) stehen.

Drohnen, die als Paketzusteller und Transporter eingesetzt werden, haben ein Problem: Es wäre unwirtschaftlich, jedes System von einem eigenen menschlichen Drohnenpiloten steuern zu lassen. Die Lösung sind Systeme, die autonom den Zielort anfliegen, die Ware abliefern und zur Basis zurückkehren. Vor allem in Grossstädten ist das allerdings keine triviale Aufgabe. Dort sind viele Hindernisse vorhanden, von Gebäuden bis hin zu Lichtmasten. Hinzu kommt, dass GPS-Signale, die für die Navigation der Drohnen erforderlich sind, in Regionen mit Hochhäusern durch die Gebäude abgeschattet werden können.

Indoor-Drohnen

Drohnen sind nicht auf den Aussenbereich beschränkt: «Intelligent Flying Machines (IFM) hat auf Grundlage unserer TX1-Ent- wicklungsplattform eine Drohne für den Ein- satz in Lagerhäusern entwickelt», sagt Serge Palaric, Vice President Sales Embedded & OEMs bei Nvidia Europe. Die Anwendung im Inneren von Gebäuden stellt Drohnen vor besondere Herausforderungen: Sie müssen auf engstem Raum manövrieren, Hindernis- se in Echtzeit erkennen und diesen auswei- chen sowie zudem Barcode-Etiketten fehler- frei lesen und auswerten.

«Die Drohne von IFM identifiziert falsch einsortierte Waren und freie Lagerplätze. Ausserdem erkennt sie, ob Warenbestände aufgefüllt werden müssen», ergänzt Palaric. «Solche komplexen Aufgaben erfordern einen Supercomputer auf einem kompakten Modul, das in eine Drohne integriert wird.» Mit Jetson TX1 hat Nvidia ein solches Modul entwickelt. Der Hersteller greift dabei auf die Erfahrungen zurück, die er selbst beim Bau von Supercomputern gesammelt hat.

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Smart Farming und Umweltschutz

Die Landwirtschaft ist ein Gebiet, in dem häufig aus der Luft operiert wird. In Japan sind unbemannte Minihelikopter im Agrarsektor bereits seit 1990 im Einsatz, etwa um Pflanzenschutzmittel zu versprühen. Kürzlich haben die Deutsche Telekom und die Deutsche Flugsicherung zusammen mit der Hochschule Geisenheim ein Pilotprojekt gestartet, das die Einsatzmöglichkeiten von Drohnen im Weinbau prüft. Mit­hilfe von Kameras und Sensoren wird das Wachstum der Rebstöcke erfasst und dokumentiert. Anschliessend soll geprüft werden, ob sich Drohnen auch dafür nutzen lassen, um passgenau auf bestimmten Arealen Dünger oder Spritzmittel auszubringen. In der Schweiz testet die Fenaco gemeinsam mit der Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften (HAFL) den Drohneneinsatz in der Agrarwirtschaft.

Mit Multispektralkameras sind Drohnen zudem in der Lage, den Gesundheitszustand von Pflanzen zu prüfen. Sind Teile von Feldern oder Weinbergen von Schädlingen oder Pilzen befallen, dann zeigt sich das auf den Bildern in einer speziellen Farbgebung der betroffenen Pflanzen. Der Landwirt hat anschliessend die Möglichkeit, Gegenmassnahmen zu ergreifen, und das bereits in einem frühen Stadium.

Versicherung ist Pflicht

In einer Doppelrolle finden sich die Versicherungen wieder, wenn es um Drohnen und deren Einsatz geht: Auf der einen Seite lassen sich Drohnen einsetzen, um Schäden an Gebäuden oder auf landwirtschaftlichen Nutzflächen zu erfassen, etwa nach Naturkatastrophen.

Auf der anderen Seite profitieren Versicherungsunternehmen von Boom bei Drohnen, weil dadurch ein neues Geschäftsfeld entsteht: «Egal, ob Sie ein Café oder ein Versandunternehmen führen: Sie müssen versichert sein, um es erfolgreich betreiben zu können. Bei Drohnen ist das nicht anders», erläutert James Van Meter, Aviation Practice Leader bei Allianz Global Corporate & Specialty (AGCS). So habe es bereits mehrfach Kollisionen und Unfälle gegeben, bei denen Drohnen mit im Spiel waren. Ein Beispiel dafür ist die Hobby-Drohne, die im Januar nahe München ihrem Besitzer «entflog». Nach Aktivierung des automatischen Notlandesystems beendete die Drohne ihren Flug, allerdings auf der Autobahn A99. Die Kollision eines Fahrzeugs mit der Drohne verlief glimpflich.

In der Schweiz muss jede Drohne mit mehr als 500 Gramm Gewicht für allfällige Schäden eine Haftpflichtdeckung im Umfang von mindestens 1 Million Franken gewährleisten. Um Kollisionen mit Flugzeugen vorzubeugen, verbietet das BAZL den Drohnenbetrieb in der Nähe von Flugplätzen (mindestens 5 km Abstand zu den Pisten). Zudem will das Bundesamt eine Registrierungspflicht für grössere, kommerzielle Drohnen einführen, um die Besitzer bei Bedarf ausfindig machen zu können. Technisch soll das mit einem Chip ähnlich wie bei einer SIM-Karte umgesetzt werden.

Schwachpunkt Akkulaufzeit

Es liegt auf der Hand, dass bei einer jungen Technologie wie den Drohnen noch nicht alles perfekt ist. Laut Matthias Beldzik von Intel liegen die grössten Limitierungen in der Akkulaufzeit sowie in der Automatisierung und Redundanz. So halten die meisten kommerziellen Drohnen mit einer Akkuladung nur etwa 20 bis 30 Minuten lang durch. Eine Lösung für dieses Problem ist noch nicht Sicht, zumindest, solange Akkus und Elektroantriebe verwendet werden.

Das Imperial College in London hat eine Technik ent­wickelt, mit der sich Drohnen drahtlos mit Strom versorgen lassen, und zwar mithilfe induktiver Kopplung. Auf ähnliche Weise lassen sich auch Smartphone-Akkus aufladen. Bis diese Technik einsatzfähig ist, dürfte allerdings noch einige Zeit vergehen. Eine weitere Alternative sind Stromkabel. Solche «Systeme an der Leine» sind jedoch nur dann brauchbar, wenn lediglich kurze Distanzen überwunden werden müssen, zum Beispiel bei der Inspektion eines Windrads.

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Datenverarbeitung

Das Beratungshaus PwC sieht zudem Nachholbedarf beim Erfassen und Übermitteln von Daten. PwC kritisiert, dass Systeme für die 3D-Abtastung auf Basis von LiDAR (Light detection and ranging) mehrere Hundert Euro kosten und den Einsatz in Drohnen erheblich verteuern. Zudem müssen speziell bei der Untersuchung von Feldern mehrere Techniken kombiniert werden: Multispektrale Sensoren, LiDAR-Komponenten und Sensoren, die das sichtbare Licht erfassen. All diese Komponenten in einer Drohne unterzubringen, ist aufwendig. Daher hält PwC Drohnen zumindest derzeit nur für eine Ergänzung zu Aufnahmen durch Satelliten, Flugzeuge und bemannte Helikopter.

Noch im Frühstadium befindet sich laut PwC das Angebot von Datendiensten. Sie werten die Informationen aus, die Drohnen sammeln. Anschliessend werden die Daten in Informationen «übersetzt», mit denen der Kunde etwa anfangen kann, etwa, welche Bereiche eines Feldes er mit mehr Dünger versorgen muss. Allerdings dürfte es nur eine Frage der Zeit sein, bis sich solche Datendienste etablieren. Dabei werden Technologien aus dem IT-Bereich eine zentrale Rolle spielen, etwa Cloud-Services und Big Data. Das Genfer Start-up Gamaya – ein Spin-off der EPFL – ist auf solche Lösungen spezialisiert.

Wirtschaftlichkeit

Ein italienisches Forscherteam um Alessandro Matese vom Ins­titut für Biometeorologie in Florenz hat am Beispiel eines Weinbergs durchgespielt, welche Technik sich am besten für das Erfassen und Auswerten von Bilddaten in der Landwirtschaft eignet – Drohnen, Satelliten oder Flugzeuge. Drohnen lieferten die beste Bildqualität und punkteten bei Vielseitigkeit und Unabhängigkeit von Witterungsbedingungen. Im Vergleich zu Flugzeugen und Helikoptern wiesen sie aber eine geringere Robustheit und eine kürzere Reichweite auf. Punkto Wirtschaftlichkeit schlugen Drohnen ihre Konkurrenten aus dem Feld, allerdings nur in Weinbergen von 5 bis 50 Hektar. Für grössere Gebiete sind Flugzeuge und Helikopter nach Angaben der Forscher bislang wirtschaftlicher.

Im Bereich Logistik kommt eine Studie des Beratungshauses ARK Invest zum Ergebnis, dass sich für den Onlinehändler Amazon die Auslieferung einer Ware per Drohne selbst dann rechnet, wenn er nur 1 Dollar für den Lieferservice verlangt. Der Kunde erhält die Ware dann in weniger als 30 Minuten. Zum Vergleich: Bei Amazon Prime und einer Auslieferung innerhalb von 24 Stunden belaufen sich die Kosten auf rund 6 Dollar.

Einige Fachleute monieren jedoch, diese Berechnungen beruhten auf «spekulativen Vorgaben». Eine sei, dass ein Drohnenoperator mindestens zehn Systeme steuern müsse. Aus­serdem seien täglich mindestens 30 Lieferungen pro Drohne erforderlich, um auf diese niedrige Summe zu kommen. Müssen mehr Piloten eingesetzt werden, steigen die Lieferkosten auf 10 bis 17 Dollar. Letztlich werden Praxiserfahrungen zeigen müssen, ob der Lieferdienst ein lohnenswertes Einsatzgebiet von Drohnen ist.

Mehr Intelligenz

Eine der wichtigsten Aufgaben vor allem der Software-Entwickler besteht darin, die Systeme schlauer zu machen. «Einige unserer Kunden arbeiten bereits an KI-Lösungen, die sich beispielsweise bei der Inspektion von Industrieanlagen und in der Lagerhaltung einsetzen lassen», sagt Serge Palaric von Nvidia. «Wer den Aspekt der künstlichen Intelligenz vernachlässigt, wird bald das Nachsehen haben.» Das von Nvidia entwickelte Modul Jetson TX1 erlaubt es, KI-Funktionen in Drohnen, Roboter und intelligente Transportfahrzeuge zu integrieren. Mithilfe solcher KI-Module in Verbindung mit neuronalen Netzen, so Palaric weiter, lassen sich einige der Probleme wie das Erkennen von Objekten und Hindernissen lösen. Letztlich müssen Drohnen selbstständig Kollisionen vermeiden können.

Damit Drohnen Hindernisse, aber auch andere «Dinge» wie Barcode-Etiketten oder Geländestrukturen zweifelsfrei identifizieren können, spielen zudem Technologien wie Deep Learning eine zentrale Rolle. «Die gute Nachricht ist», so der Nvidia-Manager, «dass die Informationen über solche Technologien frei verfügbar sind und Unternehmen somit beginnen können, solche neuen Ansätze einzusetzen.»

*Bernd Reder ist freier Autor bei unserer Schwesterzeitschrift «com! professional»: www.com-magazin.de