Eine Drohne ist ein unbemanntes Luftfahrzeug. Drohnen sind formeller als unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) oder unbemannte Flugsysteme bekannt. Im Wesentlichen ist eine Drohne ein Flugroboter, der mit Hilfe von softwaregesteuerten Flugplänen in seinen eingebetteten Systemen, die mit bordeigenen Sensoren und einem globalen Positionierungssystem(GPS) zusammenarbeiten, ferngesteuert werden oder autonom fliegen kann.

Drohnen wurden am häufigsten mit dem Militär in Verbindung gebracht. Ursprünglich wurden sie für Flugabwehrübungen, Aufklärungszwecke und, was umstrittener ist, als Waffenplattformen eingesetzt. Inzwischen werden Drohnen auch in einer Reihe von zivilen Bereichen eingesetzt, darunter in den folgenden:

  • Suche und Rettung
  • Überwachung
  • Verkehrsüberwachung
  • Wetterüberwachung
  • Brandbekämpfung
  • persönlicher Gebrauch
  • Drohnenfotografie
  • Videografie
  • Landwirtschaft
  • Zustelldienste

Wie funktionieren Drohnen?

Drohnen haben zwei grundlegende Funktionen: Flugmodus und Navigation.

Um fliegen zu können, benötigen Drohnen eine Energiequelle, z. B. eine Batterie oder Kraftstoff. Außerdem verfügen sie über Rotoren, Propeller und einen Rahmen. Der Rahmen einer Drohne besteht in der Regel aus einem leichten Verbundwerkstoff, um das Gewicht zu verringern und die Manövrierfähigkeit zu erhöhen.

Drohnen benötigen ein Steuergerät, mit dem der Bediener das Fluggerät per Fernsteuerung starten, navigieren und landen kann. Die Steuergeräte kommunizieren mit der Drohne über Funkwellen, z. B. über Wi-Fi.

Was sind die üblichen Merkmale und Komponenten einer Drohne?

Drohnen bestehen aus einer Vielzahl von Komponenten, darunter:

  • elektronische Drehzahlregler, die die Geschwindigkeit und Richtung eines Motors steuern
  • Fluglotse
  • GPS-Modul
  • Batterie
  • Antenne
  • Empfänger
  • Kameras
  • Sensoren, einschließlich Ultraschallsensoren und Sensoren zur Kollisionsvermeidung
  • Beschleunigungsmesser, der die Geschwindigkeit misst
  • Höhenmesser, der die Höhe misst

Die Funktionen einer Drohne variieren je nach Einsatzgebiet. Beispiele für Funktionen sind:

  • verschiedene Kameratypen mit Hochleistungs-, Zoom- und kardanischen Steadycam- und Neigefunktionen
  • Künstliche Intelligenz (KI), die es der Drohne ermöglicht, Objekten zu folgen
  • Augmented-Reality-Funktionen, die virtuelle Objekte in die Kameraaufnahmen der Drohne einblenden
  • Medienspeicherformat
  • maximale Flugzeit, die bestimmt, wie lange die Drohne in der Luft bleiben kann
  • Höchstgeschwindigkeiten, einschließlich Steigung und Gefälle
  • Genauigkeit im Schwebeflug
  • Hindernisse im sensorischen Bereich
  • Höhe halten, wodurch die Drohne auf einer festen Höhe gehalten wird
  • Live-Videoübertragung
  • Flugprotokolle

Navigationssysteme, wie z. B. GPS, befinden sich in der Regel in der Nase einer Drohne. Das GPS einer Drohne übermittelt dem Steuergerät ihren genauen Standort. Ein eingebauter Höhenmesser kann Höheninformationen übermitteln. Der Höhenmesser hilft auch dabei, die Drohne auf einer bestimmten Höhe zu halten, wenn der Lotse eine solche vorgibt.

Drohnen können mit Sensoren ausgestattet werden, darunter Ultraschall-, Laser- oder Lidar-Abstandssensoren, Flugzeitsensoren, chemische Sensoren sowie Stabilisierungs- und Orientierungssensoren. Visuelle Sensoren liefern Standbild- und Videodaten. Rote, grüne und blaue Sensoren erfassen die visuellen Standardwellenlängen Rot, Grün und Blau, und multispektrale Sensoren erfassen sichtbare und nicht sichtbare Wellenlängen, wie Infrarot und Ultraviolett. Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Magnetometer, Barometer und GPS sind ebenfalls gängige Merkmale von Drohnen.

Thermosensoren ermöglichen beispielsweise Überwachungs- und Sicherheitsanwendungen, wie die Überwachung von Viehbeständen und die Erkennung von Wärmezeichen. Hyperspektralsensoren helfen bei der Identifizierung von Mineralien und Vegetation und sind ideal für den Einsatz in den Bereichen Pflanzengesundheit, Wasserqualität und Oberflächenbeschaffenheit.

Einige Drohnen verwenden Sensoren, um Hindernisse zu erkennen und Kollisionen zu vermeiden. Ursprünglich waren die Sensoren darauf ausgelegt, Objekte vor der Drohne zu erkennen. Einige Drohnen bieten nun eine Hinderniserkennung in fünf Richtungen: vorne, hinten, unten, oben und seitlich.

Für die Landung verwenden die Drohnen visuelle Positionierungssysteme mit nach unten gerichteten Kameras und Ultraschallsensoren. Die Ultraschallsensoren bestimmen, wie nah die Drohne am Boden ist.

Welche Arten von Drohnen gibt es?

Es gibt zwei Haupttypen von Drohnenplattformen:

Rotor, einschließlich Einrotor- und Mehrrotor-Rotoren, wie Trikopter, Quadcopter, Hexacopter und Octocopter

Bild: DJI-P4-Multispectral

Starrflügler, zu denen auch die hybriden senkrecht startenden und landenden (VTOL) Drohnen gehören, die keine Landebahnen benötigen

Bild: senseFly eBeeX

Bei den nichtmilitärischen Drohnen handelt es sich in der Regel entweder um private und hobbymäßige Drohnen oder um kommerzielle Flugzeuge.

Persönliche Drohnen

Viele persönliche Drohnen sind für den Privatgebrauch erhältlich. Sie sind zu Standardangeboten am Black Friday und Cyber Monday geworden und bieten HD-Video- und Fotokamerafunktionen. Die Betreiber sind oft Anfänger, die sie nur zum Spaß oder für Rennen fliegen wollen. Diese Drohnen wiegen in der Regel zwischen 200 – 900g.

Zu den beliebtesten persönlichen Drohnen gehören die folgenden:

  • Autel EVO II bietet High-End-Video.
  • DJI FPV Combo ist für den Rennsport konzipiert.
  • DJI Air 2S ist ein gutes Gerät für Einsteiger, mit einem faltbaren Design und Sensorik.
  • DJI Mavic 3 ist eine leistungsstarke Kameradrohne mit omnidirektionaler Hinderniserkennung.
  • DJI Mini 2 ist mit etwa 242 Gramm eine der leichtesten Drohnen.
  • Der Parrot Anafi ist kompakt und verfügt über fortschrittliche Stabilisierungsfunktionen, die ihn windresistent machen.
  • PowerVision PowerEgg X fliegt bei jedem Wetter, landet auf dem Wasser, hat KI-Fähigkeiten und lässt sich in eine Handkamera umwandeln.
  • Ryze Tello ist für Anfänger gut geeignet.

Kommerzielle Drohnen

Stärkere, leistungsfähigere Drohnen sind auch für den kommerziellen Einsatz erhältlich. Insitu, ein Boeing-Unternehmen, bietet den ScanEagle an, eine Drohne mit einer Spannweite von 1,5 m und einem Gewicht von 15.9kg. Insitu baut auch den Integrator, ein 36kg schweres Fluggerät mit einer Spannweite von 4.9m. Insitu-Drohnen starten nicht von Landebahnen. Stattdessen nutzen sie die VTOL-Fähigkeiten der Start- und Bergungssysteme des Unternehmens. Zu den verfügbaren Sensoren gehören elektro-optische Bildgeber, Mittelwellen-Infrarotbildgeber, Infrarotmarker und Laserentfernungsmesser.

Im Jahr 2018 gab Boeing bekannt, dass es den Prototyp eines unbemannten elektrischen VTOL-Frachtflugzeugs entwickelt hat, das eine Nutzlast von bis zu 228kg transportieren kann.

Fesseldrohnen sind eine weitere Option. Sie sind physisch an eine Basisstation angebunden. Gefesselte Systeme können das Problem der Stromversorgung lösen, mit dem viele Drohnen konfrontiert sind, wenn die Fesseln eine direkte Stromversorgung bieten. Die Safe-T-Drohnenanbindungsstation von Elistair bietet beispielsweise eine Leistung von 2,5 kW und kann bis zu einer Höhe von über 60m fliegen, wobei Datenübertragungsraten von bis zu 200 Mbps möglich sind.

Neben Insitu und Elistair gibt es weitere kommerzielle Drohnenhersteller:

  • 3D-Robotik
  • DJI
  • Hubsan
  • Identifizierte Technologien
  • Maßnahme
  • Papagei
  • PrecisionHawk
  • Yuneec

Kommerzielle und unternehmerische Drohnenanwendungen

Die nichtmilitärische Nutzung von Drohnen hat in den letzten zehn Jahren zugenommen. Neben Überwachungs- und Lieferanwendungen werden Drohnen auch für den Drohnenjournalismus, Such- und Rettungseinsätze, Katastrophenschutz, Vermögensschutz, die Überwachung von Wildtieren, Brandbekämpfung, Kommunikationsrelais, das Gesundheitswesen und die Landwirtschaft eingesetzt.

Die Integration von Drohnen und Internet-of-Things-Technologie (IoT) hat zahlreiche Unternehmensanwendungen hervorgebracht. Drohnen, die mit IoT-Sensornetzwerken vor Ort zusammenarbeiten, können Landwirtschaftsunternehmen bei der Überwachung von Land und Ernten helfen, Energieunternehmen bei der Überwachung von Stromleitungen und Betriebsanlagen und Versicherungsunternehmen bei der Überwachung von Immobilien im Hinblick auf Schäden und Policen.

Ein Experiment aus dem Jahr 2015 in Austin, Texas, zeigte eine Möglichkeit, Drohnen und IoT zu kombinieren. Ein Sicherheitstechnologieunternehmen tat sich mit einem Drohnen-Startup zusammen, um nach Zigbee-Baken zu suchen, die einen Überblick über die IoT-Netzwerke in Wohn- und Geschäftsvierteln der Stadt geben sollten. Die Unternehmen berichteten, dass die Ergebnisse schnell und aufschlussreich waren.

Von der Logistik über die Landwirtschaft bis hin zur Sicherheit sind unbemannte Luftfahrzeuge und das Internet der Dinge oft Teil der gleichen Diskussion. Sie bieten eine Komponente der allgegenwärtigen Konnektivität und Interaktivität.

Weitere Beispiele für den Einsatz der besten Drohnentechnologie sind die folgenden:

  • Landwirtschaft. Drohnen messen und registrieren die Höhe von Nutzpflanzen. Sie verwenden die Lidar-Fernerkundungstechnologie, bei der die Pflanzen mit einem Laser beleuchtet werden und die Entfernung durch Messung der Rückstrahlung berechnet wird. Dies kann Landwirten helfen, die landwirtschaftliche Produktion zu optimieren und nachhaltige Anbaumethoden zu fördern.
  • Biologische Überwachung. Drohnen mit biologischen Sensoren fliegen in unsichere Gebiete, um die Luft- oder Wasserqualität zu messen. Sie können auch auf das Vorhandensein bestimmter Mikroorganismen und atmosphärischer Elemente prüfen.
  • Überwachung von Waldbränden. Feuerwehrleute setzen Drohnen ein, um ein betroffenes Gebiet zu überwachen und das Ausmaß der Schäden sowie die Geschwindigkeit der Brandausbreitung zu ermitteln. Die aufgenommenen Bilder geben Aufschluss über den Schaden.
  • Sportberichterstattung. Fernsehsender setzen Drohnen ein, um Aufnahmen von Sportereignissen zu machen, wie z. B. Aufnahmen von Überflügen und Live-Übertragungen, die sonst nur schwer zu realisieren wären. Der Einsatz von Drohnen muss den Vorschriften im jeweiligen Land sowie den Vorschriften der Sportverbände, der Veranstaltungsorte und der örtlichen Strafverfolgungsbehörden entsprechen.

Die Geschichte der Drohnen

Drohnen gehen auf das Jahr 1849 zurück, als Venedig um seine Unabhängigkeit von Österreich kämpfte. Österreichische Soldaten griffen Venedig mit Heißluft-, wasserstoff- oder heliumgefüllten Ballons an, die mit Bomben bestückt waren.

Das erste unbemannte funkgesteuerte Flugzeug wurde im Ersten Weltkrieg eingesetzt. 1918 entwickelte die US-Armee den experimentellen Kettering Bug, ein unbemanntes «fliegendes Bombenflugzeug», das jedoch nie im Kampf eingesetzt wurde.

Die erste allgemein verwendete Drohne erschien 1935 als Umrüstung des de Havilland DH82B «Queen Bee»-Doppeldeckers in Originalgröße. Sie war mit einem Funkgerät und einer servomechanischen Steuerung auf dem Rücksitz ausgestattet. Das Flugzeug konnte auf konventionelle Weise vom Vordersitz aus gesteuert werden, flog aber in der Regel unbemannt, um Artilleriegeschütze in der Ausbildung zu schießen.

Der Begriff Drohne geht auf diese erste Verwendung zurück und ist eine Anspielung auf die Bezeichnung Bienenkönigin.

Die Drohnentechnologie war für das Militär weiterhin von Interesse, aber sie war oft unzuverlässig und kostspielig. Nachdem Bedenken wegen des Abschusses von Spionageflugzeugen aufkamen, befasste sich das Militär erneut mit unbemannten Luftfahrzeugen. Militärdrohnen übernahmen bald die Aufgabe, Flugblätter abzuwerfen und als Spionageköder zu fungieren.

1982 setzte die israelische Luftwaffe Drohnen ein, um die syrische Flotte mit minimalen Verlusten für die israelischen Streitkräfte auszuschalten. Die israelischen UAVs fungierten als Lockvögel, störten die Kommunikation und boten Echtzeit-Videoaufklärung.

Drohnen sind als Teil des militärischen IoT weiterhin eine wichtige Stütze des Militärs und spielen folgende Rollen:

  • Intelligenz
  • Luftraumüberwachung
  • Kraftschutz
  • Suche und Rettung
  • Artilleriebeobachtung
  • Zielverfolgung und Akquisition
  • Bewertung der Kampfschäden
  • Aufklärung
  • Waffen

Zu den jüngsten Meilensteinen im Bereich der Drohnen gehören die folgenden:

  • 2006. Die US-Zoll- und Grenzschutzbehörde setzte erstmals UAVs zur Überwachung der Grenze zwischen den USA und Mexiko ein.
  • Ende 2012. Chris Anderson, Chefredakteur der Zeitschrift Wired, zog sich zurück, um sich seinem Drohnenunternehmen 3D Robotics Inc. zu widmen. Das Unternehmen spezialisierte sich zunächst auf Hobby-Drohnen für den Privatgebrauch. Heute vertreibt es Drohnen für die Luftbildfotografie und -videografie. Es verkauft auch an Unternehmen aus den Bereichen Bauwesen, Versorgungsunternehmen, Telekommunikation und öffentliche Sicherheit.
  • Ende 2013. Amazon-Chef Jeff Bezos kündigte einen Plan zum Einsatz kommerzieller Drohnen für die Produktauslieferung an.
  • Juli 2016. Das Startup Flirtey aus Reno, Nevada, hat Amazon den Rang abgelaufen. Es lieferte mit einer kommerziellen Drohne erfolgreich ein Paket an einen Einwohner in Nevada.
  • September 2016. Das Virginia Polytechnic Institute and State University testete in Zusammenarbeit mit Project Wing, einer Einheit des Google-Eigentümers Alphabet Inc. die Auslieferung von Waren per Drohne. Sie begannen mit Burritos von einem örtlichen Chipotle-Restaurant.
  • Oktober 2016. Das in San Francisco ansässige Unternehmen Zipline hat einen Dienst eingerichtet, der Blut und Medikamente an Krankenhäuser in Ruanda liefert.
  • März 2021. Zipline hat im Rahmen der COVAX-Initiative der Vereinten Nationen mit der Lieferung von COVID-19-Impfstoffen an Gesundheitsdienstleister in Ghana begonnen.
  • August 2021. Alphabets Project Wing kündigte an, die Marke von 100.000 Drohnenlieferungen zu überschreiten, was ein weiterer Schritt zum Beweis ist, dass Drohnenlieferungen in großem Maßstab möglich sind.

UAV-Empfang und Drohnenverordnung

Die rasche Verbreitung von Drohnen in den letzten zehn Jahren hat zu Beschwerden und Bedenken in Bezug auf den Datenschutz und die Sicherheit geführt. Voyeure und Paparazzi nutzen Drohnen, um Bilder von Menschen in ihren Wohnungen und an anderen Orten zu machen, die privat sind. Drohnen werden auch an unsicheren Orten eingesetzt, etwa in städtischen Gebieten und in der Nähe von Flughäfen.

Die zunehmende kommerzielle und private Nutzung von Drohnen birgt auch die Gefahr von Kollisionen in der Luft und den Verlust der Kontrolle über die Drohne. Besondere Bedenken über Drohnen, die zu nahe an Verkehrsflugzeugen fliegen, haben zu Forderungen nach einer Regulierung geführt.

Viele Länder haben Drohnen-Vorschriften erlassen. Da die Nutzung von Drohnen immer beliebter wird, ändern sich die Gesetze ständig. Private und gewerbliche Drohnenpiloten müssen die Gesetze des Landes und des Ortes prüfen, in dem sie die Geräte betreiben.

In China ist für das Fliegen in einer Höhe von mehr als 120m eine Genehmigung der chinesischen Zivilluftfahrtbehörde erforderlich. Drohnen mit einem Gewicht von mehr als 6.8kg benötigen ebenfalls eine Lizenz, und es müssen Flugverbotszonen eingehalten werden.

Im Vereinigten Königreich untersagt die Zivilluftfahrtbehörde (CAA) den Flug von Drohnen über 150m. Jede Drohne, die mehr als ein halbes Pfund wiegt, muss bei der CAA registriert werden. Die Behörde hat auch ihren «Dronecode» veröffentlicht:

  • Fliegen Sie nicht in der Nähe von Flughäfen oder Flugplätzen.
  • Denken Sie daran ,unter 120m und mindestens 45m von Gebäuden und Menschen entfernt zu bleiben.
  • Halten Sie jeder Zeit Sichtkontakt zu ihrer Drohne.
  • Fliegen Sie nie in der Nähe von Flugzeugen.

Die Gesetze zur Nutzung von Drohnen variieren zum Beispiel in den USA je nach Bundesstaat. So müssen beispielsweise Gemeinden in Arizona, die über zwei oder mehr öffentliche Parks verfügen, Drohnen in mindestens einem dieser Parks zulassen. Ein Gesetz in Minnesota verlangt von kommerziellen Drohnenbetreibern, dass sie eine Lizenz für den kommerziellen Betrieb bezahlen und eine Drohnenversicherung abschließen. Je nach Bundesstaat müssen private Drohnennutzer einen Sicherheitstest absolvieren oder eine Lizenz erwerben. In Massachusetts beispielsweise müssen alle Drohnenbenutzer den Recreational UAS Safety Test absolvieren. Die FAA hat diesen Test entwickelt und empfohlen, dass alle Freizeitnutzer ihn absolvieren.

Drohnengesetze Schweiz:

Drohnengesetze EU:

Ausbildung in Drohnentechnik

Die Drohnenausbildung expandiert. Die Embry-Riddle Aeronautical University ist seit langem ein Ausbildungszentrum für die Luftfahrtindustrie. Jetzt bietet sie einen Bachelor of Science in Unmanned Aircraft Systems und einen Master of Science in Unmanned Systems an.

Auch für Personen, die zertifizierte kommerzielle Drohnenpiloten werden wollen, gibt es mehrere Ressourcen für das Selbststudium.

Wie sehen die Zukunftsaussichten für die Drohnentechnologie aus?

Die Prognosen für den Drohnenmarkt sind aggressiv und optimistisch.

  • Grandview Research hat vorausgesagt, dass der Umsatz des kommerziellen Drohnenmarktes im Jahr 2028 501,4 Milliarden Dollar erreichen wird, gegenüber 20,8 Milliarden Dollar im Jahr 2021.
  • Laut MarketsAndMarkets wird der Markt für Drohnen-Dienstleistungen bis 2026 auf 40,7 Milliarden US-Dollar anwachsen, gegenüber 13,9 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021.
  • Die Association for Unmanned Vehicle Systems International sagt voraus, dass die Drohnenindustrie bis 2025 mehr als 100.000 Arbeitsplätze in den USA schaffen wird.

Drohnen und unbemannte Flugzeuge werden zu einem Bestandteil vieler Unternehmen und Regierungsorganisationen. Die Entwicklung ergänzender Technologien wie 5G, Augmented Reality und Computer Vision wird voraussichtlich das Wachstum des Drohnenmarktes vorantreiben und die Kommunikation und Intelligenz der Drohnen verbessern.

Da sowohl die private als auch die kommerzielle Nutzung von Drohnen zunimmt, werden die Behörden ihre Regeln und Vorschriften verfeinern. Drohnen werden auch neue Sicherheitsschwachstellen und Angriffsvektoren schaffen.