Unbemanntes Fluggerät

Ein unbemanntes Luftfahrzeug (UAV), allgemein als Drohne bekannt, ist ein Flugzeug ohne einen menschlichen Piloten an Bord. UAVs sind Bestandteil eines unbemannten Flugzeugsystems (UAS);Dazu gehören ein UAV, eine bodengestützte Steuerung und ein Kommunikationssystem zwischen den beiden. Der Flug von UAVs kann mit verschiedenen Graden der Autonomie betrieben werden: entweder ferngesteuert von einem menschlichen Bediener oder autonom von Bordcomputern.

Verglichen mit bemannten Flugzeugen wurden UAVs ursprünglich für “zu langweilige, schmutzige oder gefährliche” Missionen für Menschen eingesetzt. Obwohl sie vorwiegend in militärischen Anwendungen ihren Ursprung hatten, wird ihre Verwendung rasch auf kommerzielle, wissenschaftliche, Freizeit-, landwirtschaftliche und andere Anwendungen, wie Polizei, Friedenssicherung und Überwachung, Produktlieferung, Luftbildfotografie, Landwirtschaft, Schmuggel und Drohnenrennen, ausgedehnt. Die Anzahl der zivilen UAVs ist bei weitem zahlenmäßig höher als bei den militärischen UAVs mit Schätzungen von über einer Million bis 2015, so dass sie als frühe kommerzielle Anwendung autonomer Dinge betrachtet werden können, gefolgt von den autonomen Auto- und Heimrobotern.

Einstufung
UAVs fallen in der Regel in eine von sechs Funktionskategorien (obwohl Airframe-Plattformen mit mehreren Rollen immer häufiger eingesetzt werden):

Ziel und Lockvogel – Ziel eines Bodens und Luftschießens, das ein feindliches Flugzeug oder eine Rakete simuliert
Aufklärung – Schlachtfeld-Intelligenz
Kampf – Angriffsfähigkeit für Missionen mit hohem Risiko (siehe: Unbemanntes Luftfahrzeug (UCAV))
Logistik – Lieferung von Fracht
Forschung und Entwicklung – Verbesserung der UAV-Technologien
Zivil- und Handels-UAVs – Landwirtschaft, Luftbildfotografie, Datenerfassung

Das US-Militär-UAV-Tierensystem wird von Militärplanern verwendet, um die verschiedenen einzelnen Flugzeugelemente in einem Gesamtnutzungsplan festzulegen.

Schiebel S-100 mit einer leichten Multirole-Rakete ausgestattet
Fahrzeuge können nach Reichweite / Höhe kategorisiert werden. [Von wem?] Wurde als relevant auf Branchenveranstaltungen wie dem ParcAberporth Unmanned Systems-Forum vorgestellt:

2.000 ft (600 m) Höhe, ca. 2 km Reichweite
Schließen Sie eine Höhe von 1.500 m und eine Reichweite von bis zu 10 km
NATO-Typ 3.000 m Höhe, bis zu 50 km Reichweite
Taktische Höhe von 18.000 Fuß (5.500 m), etwa 160 km Reichweite
MALE (mittlere Höhe, lange Ausdauer) bis zu 9.000 m und Reichweite über 200 km
HALE (große Höhe, lange Ausdauer) über 9.100 m und unbestimmte Reichweite
Hyperschallgeschwindigkeit, Überschallgeschwindigkeit (Mach 1–5) oder Hyperschallgeschwindigkeit (Mach 5+), 50.000 Fuß (15.200 m) oder suborbitale Höhe, Reichweite über 200 km
Orbitaler niedriger Umlaufbahn (Mach 25+)
CIS Lunar Earth-Moon Transfer
Computer Assisted Carrier Guidance System (CACGS) für UAVs

Andere Kategorien sind:

Hobbyist UAVs – in weitere unterteilt werden können
Ready-to-Fly (RTF) / Kommerziell ab Lager (COTS)
Bind-and-Fly (BNF) – Sie benötigen nur ein Minimum an Wissen, um die Plattform zu nutzen
Fast-Ready-to-Fly (ARF) / Do-it-yourself (DIY) – Sie benötigen viel Wissen, um in die Luft zu kommen
Bare Rahmen – erfordert erhebliches Wissen und Ihre eigenen Teile, um es in die Luft zu bekommen
Mittlere militärische und kommerzielle UAVs
Große militärspezifische UAVs
Tarnkampf-UAVs

Unbemannte vielseitige Flugzeuge (ursprünglich ein 2-Sitzer-Pipistrel-Sinus)
Bemannte Flugzeuge, die in unbemannte Flugzeuge umgewandelt werden (und optional pilotierte UAVs oder OpVs)

Klassifizierungen nach Flugzeuggewicht sind einfacher:

Micro Air Vehicle (MAV) – die kleinsten UAVs, die weniger als 1 g wiegen können
Miniatur-UAV (auch SUAS genannt) – ungefähr weniger als 25 kg
Schwerere UAVs

UAV-Komponenten
Bemannte und unbemannte Flugzeuge desselben Typs weisen im Allgemeinen erkennbar ähnliche physikalische Komponenten auf. Die wichtigsten Ausnahmen sind das Cockpit- und Umgebungskontrollsystem oder Lebenserhaltungssysteme. Einige UAVs tragen Nutzlasten (z. B. eine Kamera), die erheblich weniger wiegen als ein erwachsener Mensch und können daher erheblich geringer sein. Obwohl sie schwere Nutzlasten tragen, sind bewaffnete militärische UAVs leichter als ihre bemannten Pendants mit vergleichbarer Rüstung.

Kleine zivile UAVs haben keine lebenswichtigen Systeme und können daher aus leichteren, aber weniger robusten Materialien und Formen gebaut werden und können weniger robuste getestete elektronische Steuersysteme verwenden. Für kleine UAVs ist das Quadrocopter-Design populär geworden, obwohl dieses Layout für bemannte Flugzeuge selten verwendet wird. Durch die Miniaturisierung können weniger leistungsstarke Antriebstechnologien eingesetzt werden, die für bemannte Flugzeuge nicht möglich sind, beispielsweise kleine Elektromotoren und Batterien.

Steuersysteme für UAVs unterscheiden sich häufig von bemannten Fahrzeugen. Bei der Fernbedienung per Fernbedienung ersetzen eine Kamera- und Videoverbindung fast immer die Cockpitfenster. Über Funk übertragene digitale Befehle ersetzen die physischen Cockpit-Steuerungen. Die Autopilot-Software wird bei bemannten und unbemannten Flugzeugen mit unterschiedlichen Funktionssätzen verwendet.

Karosserie
Der Hauptunterschied für Flugzeuge ist das Fehlen des Cockpit-Bereichs und seiner Fenster.Schwanzlose Quadcopter sind ein üblicher Formfaktor für Drehflügel-UAVs, während Monocopper und Bi-Copter für bemannte Plattformen üblich sind.

Stromversorgung und Plattform
Kleine UAVs verwenden meistens Lithium-Polymer-Batterien (Li-Po), während größere Fahrzeuge auf herkömmliche Flugzeugmotoren angewiesen sind. Die Größe oder Größe eines Flugzeugs ist nicht das bestimmende oder einschränkende Merkmal der Energieversorgung eines UAV. Derzeit [wann?] Ist die Energiedichte von Li-Po weit geringer als bei Benzin. Der Rekord der Reise eines UAV (aus Balsaholz und Mylarhaut) quer durch den Nordatlantik wird von einem Benzin-Modellflugzeug oder einem UAV gehalten. Manard Hill in “im Jahr 2003, als eine seiner Kreationen mit weniger als einer Gallone Treibstoff über den Atlantik flog”, hält dieser Rekord. Siehe: Strom wird verwendet, da weniger Arbeit für einen Flug erforderlich ist und Elektromotoren leiser sind. Bei richtiger Auslegung kann das Verhältnis von Schub zu Gewicht für einen elektrischen oder Benzinmotor, der einen Propeller antreibt, senkrecht schweben oder steigen. Ein Botmite-Flugzeug ist ein Beispiel für ein elektrisches UAV, das senkrecht steigen kann.

Batterieentfernungsschaltungen (BEC) dienen zur Zentralisierung der Stromverteilung und enthalten häufig eine Mikrocontroller-Einheit (MCU). Kostspieligere Umschalt-BECs reduzieren die Erwärmung auf der Plattform.

Computing
Die UAV-Rechenleistung folgte den Fortschritten der Computertechnologie, angefangen bei analogen Steuerungen über Mikrocontroller bis hin zu System-on-a-Chip (SOC) und Einplatinencomputern (SBC).

Systemhardware für kleine UAVs wird häufig als Flight Controller (FC), Flight Controller Board (FCB) oder Autopilot bezeichnet.

Sensoren
Positions- und Bewegungssensoren geben Auskunft über den Zustand des Flugzeugs. Exterozeptive Sensoren behandeln externe Informationen wie Entfernungsmessungen, während expropriozeptive interne und externe Zustände korrelieren.

Nichtkooperative Sensoren können Ziele autonom erkennen und werden so zur Trennungssicherung und Kollisionsvermeidung eingesetzt.

Freiheitsgrade (DOF) beziehen sich sowohl auf die Menge als auch auf die Qualität der Sensoren an Bord: 6 DOF impliziert 3-Achsen-Gyroskope und Beschleunigungssensoren (eine typische Inertialmesseinheit – IMU), 9 DOF bezieht sich auf eine IMU plus einen Kompass, 10 DOF fügt ein Barometer hinzu und 11 DOF fügt normalerweise einen GPS-Empfänger hinzu.

Stellantriebe
UAV-Stellantriebe umfassen digitale elektronische Drehzahlregler (die die Drehzahl der Motoren steuern), die mit Motoren und Propellern, Servomotoren (hauptsächlich für Flugzeuge und Hubschrauber), Waffen, Nutzlastantriebe, LEDs und Lautsprecher verbunden sind.

Software
Die UAV-Software bezeichnete den Flight Stack oder Autopilot. UAVs sind Echtzeitsysteme, die eine schnelle Reaktion auf veränderte Sensordaten erfordern. Beispiele sind Himbeer-Pis, Beagleboards usw., die mit NavIO, PXFMini usw. abgeschirmt oder von Grund auf neu konzipiert wurden, wie Nuttx, Preemptive-RT Linux, Xenomai, Orocos-Robot-Betriebssystem oder DDS-ROS 2.0.

Flight Stack Übersicht

Schicht Anforderung Operationen Beispiel
Firmware Zeitkritisch Vom Maschinencode bis zur Prozessorausführung, Speicherzugriff ArduCopter-v1.px4
Middleware Zeitkritisch Flugsteuerung, Navigation, Funkmanagement Cleanflight, ArduPilot
Betriebssystem Computerintensiv Optischer Fluss, Hindernisvermeidung, SLAM, Entscheidungsfindung ROS, Nuttx, Linux-Distributionen, Microsoft IOT

Open-Source-Stacks für den zivilen Gebrauch umfassen:

ArduCopter
DroneCode (gegabelt von ArduCopter)
CrazyFlie
KKMultiCopter
MultiWii
BaseFlight (gegabelt von MultiWii)
CleanFlight (gegabelt von BaseFlight)
BetaFlight (gegabelt von CleanFlight)
iNav (gegabelt von CleanFlight)
RaceFlight (gegabelt von CleanFlight)
OpenPilot
dRonin (von OpenPilot gegabelt)
LibrePilot (von OpenPilot gegabelt)
TauLabs (gegabelt von OpenPilot)
Paparazzi

Loop-Prinzipien
UAVs verwenden offene, geschlossene oder hybride Steuerungsarchitekturen.

Offene Schleife – Dieser Typ liefert ein positives Steuersignal (schneller, langsamer, links, rechts, aufwärts, abwärts), ohne Rückmeldung von Sensordaten.
Closed Loop (geschlossener Regelkreis) – Dieser Typ enthält eine Sensorrückmeldung, um das Verhalten anzupassen (Geschwindigkeit auf den Rückenwind reduzieren, auf 300 Fuß Höhe bewegen). Der PID-Regler ist üblich. Manchmal wird Feedforward eingesetzt, wodurch die Notwendigkeit besteht, die Schleife weiter zu schließen.

Flugsteuerungen
UAVs können so programmiert werden, dass sie aggressive Manöver oder Landen / Sitzen auf geneigten Oberflächen ausführen und dann zu besseren Kommunikationspunkten hinaufsteigen.Einige UAVs können den Flug mit unterschiedlichen Flugmodellierungen steuern, z. B. VTOL-Designs.

UAVs können auch Sitzflächen auf einer ebenen vertikalen Oberfläche implementieren.

Kommunikationen
Die meisten UAVs verwenden ein Radio zur Fernsteuerung und zum Austausch von Video- und anderen Daten. Frühe UAVs hatten nur Schmalband-Uplink. Downlinks kamen später. Diese bidirektionalen Schmalband-Funkverbindungen enthielten Befehls- und Kontrolldaten (C & amp; C) und Telemetriedaten über den Status von Flugzeugsystemen an den entfernten Betreiber. Für Langstreckenflüge verwenden militärische UAVs auch Satellitenempfänger als Teil von Satellitennavigationssystemen. In den Fällen, in denen eine Videoübertragung erforderlich war, implementieren die UAVs eine separate analoge Video-Funkverbindung.

In den modernsten UAV-Anwendungen ist eine Videoübertragung erforderlich. Anstelle von zwei getrennten Verbindungen für C & amp; C, Telemetrie- und Videoverkehr wird eine Breitbandverbindung verwendet, um alle Arten von Daten auf einer einzigen Funkverbindung zu übertragen. Diese Breitbandverbindungen können mithilfe von Quality of Service-Techniken den C & amp; C-Verkehr für niedrige Latenzzeiten optimieren. Normalerweise führen diese Breitbandverbindungen TCP / IP-Verkehr, der über das Internet geleitet werden kann.

Das Funksignal von der Bedienerseite kann von beiden gesendet werden:

Bodenkontrolle – Ein Mensch, der einen Funksender / -empfänger, ein Smartphone, ein Tablet, einen Computer oder die ursprüngliche Bedeutung einer militärischen Bodenkontrollstation (GCS) bedient.Vor kurzem wurde auch die Kontrolle über tragbare Geräte, die Erkennung menschlicher Bewegungen und menschliche Gehirnwellen demonstriert.
Remote-Netzwerksystem, z. B. Satellitenduplex-Datenverbindungen für einige Militärmächte.Downstream-Digitalvideos über Mobilfunknetze sind auch in den Verbrauchermarkt eingetreten. Direkte UAV-Uplink-Kontrolle über das Celullar-Netz und LTE wurde demonstriert und wird derzeit getestet.
Ein anderes Flugzeug, das als Relaisstation oder mobile Leitstelle dient – militärisch bemannte unbemannte Besatzung (MUM-T).
Ein Protokoll MAVLink wird immer beliebter, um Command and Control-Daten zwischen der Bodensteuerung und dem Fahrzeug zu transportieren

Autonomie
Die ICAO klassifiziert unbemannte Flugzeuge entweder als ferngesteuerte Flugzeuge oder völlig autonom. Tatsächliche UAVs können mittlere Autonomiegrade bieten. Beispielsweise kann ein Fahrzeug, das in den meisten Kontexten ferngesteuert wird, einen autonomen Return-to-Base-Betrieb haben.

Grundlegende Autonomie kommt von propriozeptiven Sensoren. Erweiterte Autonomie erfordert Situationsbewusstsein und Wissen über die Umgebung des Flugzeugs von exteriozeptiven Sensoren: Die Sensorfusion integriert Informationen von mehreren Sensoren.

Grundprinzipien
Ein Weg, um eine autonome Steuerung zu erreichen, verwendet mehrere Steuerschleifenebenen wie in hierarchischen Steuersystemen. Ab 2016 ticken die Low-Layer-Loops (z. B. für die Flugsteuerung) bis zu 32.000 Mal pro Sekunde, während Loops auf höherer Ebene einmal pro Sekunde wechseln können. Das Prinzip besteht darin, das Verhalten des Flugzeugs in handhabbare “Brocken” oder Zustände mit bekannten Übergängen zu zerlegen. Hierarchische Steuersystemtypen reichen von einfachen Skripts bis zu Zustandsautomaten, Verhaltensbäumen und hierarchischen Taskplanern. Der in diesen Schichten gebräuchlichste Steuermechanismus ist der PID-Regler, der verwendet werden kann, um einen Hover für einen Quadrocopter zu erreichen, indem Daten von der IMU verwendet werden, um präzise Eingaben für die elektronischen Geschwindigkeitsregler und Motoren zu berechnen.

Beispiele für Mid-Layer-Algorithmen:

Pfadplanung: Bestimmen eines optimalen Wegs für das Fahrzeug, um dem Ziel zu folgen, während Missionsziele und Einschränkungen wie Hindernisse oder Kraftstoffanforderungen erfüllt werden
Trajektoriengenerierung (Bewegungsplanung): Bestimmen von Kontrollmanövern, um einen bestimmten Pfad zu verfolgen oder von einem Ort zum anderen zu gelangen
Flugbahnregulierung: Ein Fahrzeug wird innerhalb einer Toleranz gegenüber einer Flugbahn gehalten

Entwickelte UAV-hierarchische Taskplaner verwenden Methoden wie Zustandsbaumsuchen oder genetische Algorithmen.

Autonomie-Funktionen
UAV-Hersteller bauen häufig spezifische autonome Vorgänge ein, z.

Self-Level: Lagestabilisierung auf der Nick- und Rollachse.
Höhenstand halten: Das Flugzeug hält seine Höhe mit barometrischen oder Bodensensoren.
Hover / Position Hold: Halten Sie die Neigungs- und Rollneigung, den stabilen Gierkurs und die Höhe aufrecht, während Sie die Position mithilfe von GNSS- oder Inertal-Sensoren halten.
Headless-Modus: Neigungssteuerung relativ zur Position des Piloten und nicht relativ zu den Fahrzeugachsen.
Sorglos: Automatische Roll- und Giersteuerung bei horizontaler Bewegung
Start und Landung (mit verschiedenen Flugzeug- oder Bodensensoren und -systemen; siehe auch: Autoland)
Ausfallsicher: automatische Landung oder Rückkehr nach Hause bei Verlust des Steuersignals
Rückkehr nach Hause: Fliegen Sie zurück zum Startpunkt (oft steigen Sie zuerst an Höhe, um mögliche Hindernisse wie Bäume oder Gebäude zu vermeiden).
Follow-me: Beibehaltung der relativen Position zu einem sich bewegenden Piloten oder einem anderen Objekt mithilfe von GNSS, Bilderkennung oder Zielsender.
GPS-Wegpunktnavigation: Verwenden von GNSS zum Navigieren zu einem Zwischenstandort auf einem Fahrweg.
Umlaufbahn um ein Objekt: Ähnlich wie Follow-me, aber kreisen Sie kontinuierlich um ein Ziel.
Vorprogrammierte Kunstfliegen (wie Rollen und Schleifen)

Funktionen
Die vollständige Autonomie steht für bestimmte Aufgaben zur Verfügung, z. B. für das Betanken in der Luft oder für das Schalten von Batterien am Boden. Aufgaben auf höherer Ebene erfordern jedoch bessere Berechnungs-, Erkennungs- und Betätigungsmöglichkeiten. Ein Ansatz zur Quantifizierung autonomer Fähigkeiten basiert auf der OODA-Terminologie, wie von einem Forschungslabor der US Air Force aus dem Jahr 2002 vorgeschlagen und in der folgenden Tabelle verwendet:

Mittlere Autonomie wie reaktive Autonomie und hohe Ebenen der kognitiven Autonomie wurden in gewissem Umfang bereits erreicht und sind sehr aktive Forschungsfelder.

Reaktive Autonomie
Reaktive Autonomie wie Kollektivflug, Kollisionsvermeidung in Echtzeit, Wandnachführung und Zentrierung des Korridors beruht auf Telekommunikation und Situationsbewusstsein durch Entfernungssensoren: optischer Fluss, Lidars (leichte Radargeräte), Radargeräte, Sonare.

Die meisten Entfernungssensoren analysieren elektromagnetische Strahlung, die von der Umgebung reflektiert wird und zum Sensor gelangt. Die Kameras (für den visuellen Fluss) fungieren als einfache Empfänger. Lidars, Radars und Sonars (mit mechanischen Schallwellen) senden und empfangen Wellen, wobei die Laufzeit gemessen wird. UAV-Kameras benötigen keine Sendeleistung, wodurch der Gesamtverbrauch reduziert wird.

Radargeräte und Sonare werden meist für militärische Zwecke eingesetzt.

Reaktive Autonomie hat in einigen Formen bereits die Verbrauchermärkte erreicht: In weniger als einem Jahrzehnt ist sie weit verbreitet.

Gleichzeitige Lokalisierung und Kartierung
SLAM kombiniert Odometrie und externe Daten, um die Welt und die Position des UAV darin dreidimensional darzustellen. Die Outdoor-Navigation in großen Höhen erfordert keine großen vertikalen Sichtfelder und kann auf GPS-Koordinaten zurückgreifen (was das Mapping einfacher macht als das SLAM).

Zwei verwandte Forschungsgebiete sind Photogrammetrie und LIDAR, insbesondere in 3D-Umgebungen mit geringer Höhe und in Innenräumen.

Photogrammetrische und stereophotogrammetrische SLAM für Innenräume wurden mit Quadcoptern demonstriert.
Bewährt haben sich Lidar-Plattformen mit schweren, kostspieligen und kardanischen traditionellen Laserplattformen. Forschungsversuche zur Berücksichtigung von Produktionskosten, 2D-zu-3D-Erweiterung, Verhältnis von Leistung zu Reichweite, Gewicht und Abmessungen. LED-Entfernungsmessanwendungen werden für die Erfassung von Entfernungen mit geringer Entfernung auf den Markt gebracht. Die Forschung untersucht die Hybridisierung zwischen Lichtemission und Rechenleistung: räumliche Lichtmodulatoren mit phased array und frequenzmodulierte Dauerstrich (FMCW) -MEMS-abstimmbare, vertikal emittierende oberflächenemittierende Laser (VCSELs).

Schwärmen
Roboterschwarming bezieht sich auf Netzwerke von Agenten, die sich dynamisch neu konfigurieren können, wenn Elemente das Netzwerk verlassen oder betreten. Sie bieten größere Flexibilität als die Zusammenarbeit mit mehreren Agenten. Schwärmen kann den Weg zur Datenfusion öffnen. Einige bio-inspirierte Flugschwärme verwenden Lenkverhalten und Flockung. [Klärung erforderlich]

Künftiges militärisches Potenzial
Im militärischen Bereich werden amerikanische Predators und Reapers für Terrorismusbekämpfungseinsätze und in Kriegsgebieten eingesetzt, in denen der Feind nicht über ausreichende Feuerkraft verfügt, um sie abzuschießen. Sie sind nicht für die Abwehr von Luftabwehr- oder Luftkämpfen ausgelegt. Im September 2013 erklärte der Chef des US Air Combat Command, dass die derzeitigen UAVs “in einem umkämpften Umfeld unbrauchbar sind”, es sei denn, bemannte Flugzeuge wären da, um sie zu schützen. In einem Bericht des Congressional Research Service (CRS) von 2012 wurde spekuliert, dass UAVs in der Lage sein könnten, Aufgaben zu erfüllen, die über die Aufklärung, Überwachung, Aufklärung und Streiks hinausgehen. Der CRS-Bericht nannte Luft-Luft-Kämpfe (“eine schwierigere künftige Aufgabe”) als mögliche zukünftige Unternehmen. Die integrierte Roadmap für unbemannte Systeme des US-Verteidigungsministeriums für GJ 2013-2038 sieht einen wichtigeren Platz für UAVs im Kampf vor. Zu den Themen gehören erweiterte Funktionen, die Mensch-UAV-Interaktion, die Verwaltung eines erhöhten Informationsflusses, eine erhöhte Autonomie und die Entwicklung von UAV-spezifischen Munition.DARPAs Projekt von Systemen von Systemen oder von General Atomics kann zukünftige Kriegszenarien anregen, wobei letztere Avenger-Schwärme offenbaren, die mit einem Hochenergielaser-Laserabwehrsystem (HELLADS) ausgestattet sind.

Kognitives Radio
Die kognitive Funktechnologie kann UAV-Anwendungen haben.

Lernfähigkeiten
UAVs können verteilte neuronale Netze nutzen.

Markt
Militär
Der globale militärische UAV-Markt wird von Unternehmen mit Sitz in den USA und Israel dominiert.Nach Verkaufszahlen hatten die USA im Jahr 2017 einen Marktanteil von über 60%. Vier der fünf größten UAV-Hersteller in den USA sind unter anderem General Atomics, Lockheed Martin, Northrop Grumman und Boeing, gefolgt vom chinesischen Unternehmen CASC. Die israelischen Unternehmen konzentrieren sich hauptsächlich auf kleine UAV-Systeme für die Überwachung und auf die Anzahl der Drohnen. Israel exportierte 60,7% (2014) des UAV auf den Markt, während die Vereinigten Staaten 23,9% (2014) exportierten. Die wichtigsten Importeure von Militär-UAV sind das Vereinigte Königreich (33,9%) und Indien (13,2%). Allein in den Vereinigten Staaten wurden im Jahr 2014 über 9.000 Militär-UAVs betrieben. General Atomics ist der dominierende Hersteller mit der Produktfamilie Global Hawk und Predator / Mariner.

Zivilist
Der zivile Drohnenmarkt wird von chinesischen Unternehmen dominiert. Allein der chinesische Drohnenhersteller DJI hat im Jahr 2017 einen zivilen Marktanteil von 75%, für das Jahr 2020 wird ein Umsatz von 11 Milliarden US-Dollar prognostiziert. Danach folgen das französische Unternehmen Parrot mit 110 Millionen US-Dollar und das US-amerikanische Unternehmen 3DRobotics mit 21,6 Millionen US-Dollar im Jahr 2014. Ab März 2018 mehr als einer Millionen UAVs (878.000 Bastler und 122.000 kommerzielle) wurden bei der US-amerikanischen FAA registriert. Die NPD für das Jahr 2018 deutet darauf hin, dass Verbraucher zunehmend Drohnen mit fortschrittlicheren Funktionen erwerben, wobei das Wachstum in den Marktsegmenten über 500 USD und 1000 USD um 33 Prozent zunimmt.

Der zivile UAV-Markt ist im Vergleich zum Militär relativ neu. Unternehmen entstehen gleichzeitig in Industrie- und Entwicklungsländern. Viele Start-Up-Startups haben Unterstützung und Finanzierung von Investoren wie in den Vereinigten Staaten und von Regierungsbehörden wie in Indien erhalten.Einige Universitäten bieten Forschungs- und Ausbildungsprogramme oder -abschlüsse an. Private Einrichtungen bieten auch Online- und persönliche Schulungsprogramme für die Nutzung von UAV für den Freizeit- und gewerblichen Bereich an.

Konsumdrohnen werden aufgrund der Kosteneffizienz von Konsumgütern auch weltweit von militärischen Organisationen eingesetzt. Im Jahr 2018 begann das israelische Militär mit der UAV-Serie DJI Mavic und Matrice für die Lichtaufklärung, da zivile Drohnen einfacher zu bedienen sind und eine höhere Zuverlässigkeit aufweisen. DJI-Drohnen sind auch das am häufigsten verwendete kommerzielle unbemannte Flugsystem, das die US-Armee eingesetzt hat.

In der Nacht werden beleuchtete Drohnen für künstlerische und Werbezwecke eingesetzt.

Transport
Die AIA berichtet, dass große Drohnen für Fracht und Passagiere in den nächsten 20 Jahren zertifiziert und eingeführt werden sollten. Sensordragende große Drohnen werden ab 2018 erwartet;Kurzstreckenfrachter mit geringer Höhe außerhalb der Städte ab 2025; Langstreckenfrachtflüge bis Mitte der 2030er Jahre und Passagierflüge bis 2040. Die Ausgaben für Forschung und Entwicklung im Jahr 2018 dürften von einigen hundert Millionen Dollar auf 4 Milliarden US-Dollar bis 2028 und 30 Milliarden US-Dollar bis 2036 steigen.

Überlegungen zur Entwicklung

Tierimitation – Ethologie
Ornithopter mit Schlagflügeln, die Vögel oder Insekten nachahmen, sind ein Forschungsgebiet in microUAVs. Ihre inhärente Heimlichkeit empfiehlt sie für Spionagemissionen.

Der Nano-Hummingbird ist im Handel erhältlich, während von Fliegen inspirierte Mikro-UAV-Sub-1-g-Geräte, obwohl sie ein Spannband verwenden, auf senkrechten Flächen “landen” können.

Andere Projekte umfassen unbemannte “Käfer” und andere Insekten.

Die Forschung erforscht Miniatur-optische Flusssensoren, genannt ocellis, die die aus mehreren Facetten gebildeten zusammengesetzten Insektenaugen imitieren, die Daten an neuromorphe Chips übertragen können, die optischen Fluss sowie Diskrepanzen der Lichtintensität behandeln können.

Ausdauer
Die UAV-Ausdauer ist nicht durch die physiologischen Fähigkeiten eines menschlichen Piloten eingeschränkt.

Wankel-Rotationsmotoren werden aufgrund ihrer geringen Größe, ihres geringen Gewichts, ihrer geringen Vibrationen und ihres hohen Leistungsgewichtes in vielen großen UAVs eingesetzt. Ihre Motorrotoren können nicht greifen. Der Motor ist während des Abstiegs nicht anfällig für Schockkühlung und erfordert kein angereichertes Kraftstoffgemisch für die Kühlung bei hoher Leistung. Diese Attribute reduzieren den Kraftstoffverbrauch und erhöhen die Reichweite oder die Nutzlast.

Eine ordnungsgemäße Kühlung der Drohnen ist für die langfristige Drohnenausdauer unerlässlich.Überhitzung und nachfolgender Motorausfall sind die häufigste Ursache für Drohnenversagen.

Wasserstoffbrennstoffzellen, die mit Wasserstoff betrieben werden, können die Lebensdauer von kleinen UAVs auf mehrere Stunden verlängern.

Die Ausdauer von Mikroluftfahrzeugen wird bisher am besten mit Schlagflügel-UAVs erreicht, gefolgt von Flugzeugen und Multirotoren, die aufgrund der niedrigeren Reynolds-Zahl als letzte stehen.

Solarelektrische UAVs, ein Konzept, das 1974 von AstroFlight Sunrise entwickelt wurde, haben Flugzeiten von mehreren Wochen erreicht.

Solarbetriebene Atmosphärensatelliten (“Atmosats”), die für einen Betrieb von mehr als 20 km in einer Höhe von mehr als 20 km (12 Meilen oder 60.000 Fuß) für einen Zeitraum von fünf Jahren ausgelegt sind, könnten möglicherweise wirtschaftlichere Aufgaben erfüllen und vielseitiger sein als Satelliten mit geringer Umlaufbahn. Zu den möglichen Anwendungen gehören Wetterüberwachung, Notfallwiederherstellung, Bildgebung und Kommunikation.

Elektrische UAVs, die mit Mikrowellen- oder Laserleistungsübertragung betrieben werden, sind andere mögliche Ausdauerlösungen.

Eine weitere Anwendung für ein UAV mit hoher Ausdauer wäre es, für lange Zeit auf ein Schlachtfeld zu starren (ARGUS-IS, Gorgon Stare, Integrierter Sensor ist Struktur), um Ereignisse aufzuzeichnen, die dann rückwärts abgespielt werden könnten, um die Aktivitäten auf dem Schlachtfeld zu verfolgen.

Lange Ausdauerflüge

UAV Flugzeit
Stunden: Minuten
Datum Anmerkungen
Boeing Condor 58:11 1989 Das Flugzeug befindet sich derzeit im Hiller Aviation Museum.
Allgemeine Atomik GNAT 40:00 1992
TAM-5 38:52 11. August 2003 Kleinster UAV, um den Atlantik zu überqueren
QinetiQ Zephyr Solar Electric 54:00 September 2007
RQ-4 Global Hawk 33:06 22. März 2008 Legen Sie einen Ausdauerrekord für ein unbemanntes, voll funktionsfähiges Flugzeug fest.
QinetiQ Zephyr Solar Electric 82:37 28. bis 31. Juli 2008
QinetiQ Zephyr Solar Electric 336: 22 9. bis 23. Juli 2010

Zuverlässigkeit
Zuverlässigkeitsverbesserungen zielen auf alle Aspekte von UAV-Systemen ab, wobei Resilienz-Engineering und Fehlertoleranzverfahren eingesetzt werden.

Die individuelle Zuverlässigkeit deckt die Robustheit der Fluglotsen ab, um die Sicherheit ohne übermäßige Redundanz zu gewährleisten, um Kosten und Gewicht zu minimieren. Darüber hinaus ermöglicht die dynamische Beurteilung der Flughülle beschädigungsresistente UAVs unter Verwendung einer nichtlinearen Analyse mit Ad-hoc-Schleifen oder neuronalen Netzwerken. Die Haftung von UAV-Software tendiert in Richtung Design und Zertifizierungen von bemannter Avionik-Software.

Die Ausfallsicherheit von Schwärmen beinhaltet die Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit und die Neukonfiguration von Aufgaben bei Ausfall der Einheit.

Anwendungen
Für UAVs gibt es zahlreiche zivile, kommerzielle, militärische und Luftfahrtanwendungen. Diese schließen ein:

Bürgerlich
Katastrophenhilfe, Archäologie, Umweltschutz (Überwachung der Umweltverschmutzung und Wilderei), Strafverfolgung, Kriminalität und Terrorismus
Kommerziell
Luftüberwachung, Film, Journalismus, wissenschaftliche Forschung, Vermessung, Gütertransport und Landwirtschaft
Militär
Aufklärung, Angriff, Minenräumung und Zielpraxis

Bestehende UAVs
UAVs werden in vielen Ländern der Welt entwickelt und eingesetzt. Aufgrund ihrer breiten Verbreitung existiert keine umfassende Liste von UAV-Systemen.

Der Export von UAVs oder Technologien, die mindestens 300 km Nutzlast von 500 kg befördern können, ist in vielen Ländern durch das Missile Technology Control Regime eingeschränkt.

Sicherheit und Sicherheit

Luftverkehr
UAVs können die Sicherheit des Luftraums auf vielfältige Weise gefährden, einschließlich unbeabsichtigter Kollisionen oder anderer Interferenzen mit anderen Flugzeugen, vorsätzlichen Angriffen oder durch Ablenkung von Piloten oder Fluglotsen. Der erste Vorfall einer Drohne-Flugzeug-Kollision ereignete sich Mitte Oktober 2017 in Quebec City, Kanada. Der erste aufgezeichnete Fall einer Drohnenkollision mit einem Heißluftballon ereignete sich am 10. August 2018 in Driggs, Idaho, USA; Obwohl der Ballon weder nennenswert beschädigt wurde noch seine 3 Insassen verletzt wurden, meldete der Ballonpilot den Vorfall der NTSB und erklärte: “Ich hoffe, dieser Vorfall trägt dazu bei, ein Gespräch über Respekt vor der Natur, dem Luftraum und den Regeln und Vorschriften zu schaffen . ”

Bösartiger Gebrauch
UAVs könnten mit gefährlichen Nutzlasten geladen werden und auf verwundbare Ziele abstürzen.Nutzlasten können Sprengstoffe, chemische, radiologische oder biologische Gefahren sein. UAVs mit im Allgemeinen nicht tödlichen Nutzlasten könnten möglicherweise gehackt und böswilligen Zwecken ausgesetzt werden. Staaten entwickeln Anti-UAV-Systeme, um dieser Bedrohung entgegenzuwirken. Dies ist jedoch schwierig. Wie Dr. J. Rogers in einem Interview mit A & amp; T feststellte: “Derzeit gibt es eine große Debatte darüber, wie man diesen kleinen UAVs am besten entgegenwirkt, ob sie von Hobbyisten benutzt werden, die ein Ärgernis verursachen oder in eine unheimlichere Weise von einem terroristischen Schauspieler. ”

Bis 2017 wurden Drohnen eingesetzt, um Schmuggelware in Gefängnisse zu werfen.

Sicherheitslücken
Das Interesse an der Cyber-Sicherheit von UAVs hat nach dem Vorfall mit dem UAV-Videostream-Raubzug im Jahr 2009, bei dem islamische Militante mit billigen, handelsüblichen Geräten zum Streamen von Video-Feeds aus einem UAV verwendet wurden, stark zugenommen. Ein weiteres Risiko besteht in der Möglichkeit, ein UAV während des Fluges zu entführen oder zu klemmen.Mehrere Sicherheitsforscher haben einige Schwachstellen in kommerziellen UAVs veröffentlicht, in einigen Fällen sogar vollständigen Quellcode oder Werkzeuge, um ihre Angriffe zu reproduzieren.Bei einem Workshop zu UAVs und Datenschutz im Oktober 2016 zeigten Forscher der Federal Trade Commission, sie könnten sich in drei verschiedene Quadcopters für Verbraucher einhacken. Sie stellten fest, dass UAV-Hersteller ihre UAVs durch die grundlegenden Sicherheitsmaßnahmen zur Verschlüsselung des WLANs sicherer machen können Signal- und Kennwortschutz.

Waldbrände
In den Vereinigten Staaten wird das Fliegen in der Nähe eines Lauffeuers mit einer Geldstrafe von höchstens 25.000 $ geahndet. In den Jahren 2014 und 2015 wurde die Unterstützung der Feuerwehr in Kalifornien jedoch mehrfach behindert, unter anderem am Lake Fire und dem North Fire. Als Reaktion darauf stellten die kalifornischen Gesetzgeber eine Gesetzesvorlage vor, die es den Feuerwehrleuten erlaubte, UAVs zu deaktivieren, die in den eingeschränkten Luftraum eingedrungen waren. Die FAA erforderte später die Registrierung der meisten UAVs.

Der Einsatz von UAVs wird ebenfalls untersucht, um Waldbrände zu erkennen und zu bekämpfen, sei es durch Beobachtung oder durch den Start von pyrotechnischen Geräten zum Starten von Rückschlägen.