‘Autonome drone-operaties vallen of staan met mogelijkheid obstakels te ontwijken’

In de toekomst zullen we steeds vaker zien dat drones geheel zelfstandig bepaalde missies uitvoeren, zoals routinematige inspectievluchten of ad hoc missies tijdens calamiteiten. Maar dat kan alleen veilig plaatsvinden als de drone in staat is om zelfstandig obstakels op te merken en te vermijden. Om die reden vroeg Rijkswaterstaat een aantal bedrijven te komen met innovatieve oplossingen.

Autonome drones

Onder de naam Drone2go werkt Rijkswaterstaat samen met een aantal andere overheidsinstanties aan een netwerk van autonome droneboxen. Het ultieme doel is om verspreid door Nederland een aantal basisstations te installeren, van waaruit drones automatisch in actie kunnen komen om bijvoorbeeld poolshoogte te nemen bij een calamiteit, of controle- en inspectievluchten uit te voeren.

Om dat doel te bereiken is het essentieel dat de vluchten veilig uitgevoerd worden, zeker omdat er geen piloot ter plaatse is om in te grijpen zodra zich een onverwachte situatie voordoet. Denk bijvoorbeeld aan het vermijden van een bekend obstakel (zoals een gebouw, boom of een hoogspanningslijn), of een onverwacht obstakel, zoals een hijskraan die tijdelijk staat opgesteld.

Idealiter moeten de drones zelfstandig in staat zijn om obstakels te detecteren en een alternatieve vliegroute aan te houden. Maar het gaat verder dan dat: naast obstakels moeten drones ook andere luchtvaartuigen zien te vermijden, zoals een traumaheli die onverwachts opdoemt.

Sense & avoid: de uitdagingen

Nu zijn commercieel verkrijgbare drones tegenwoordig vaak al in staat om objecten te vermijden. Het punt is dat die functie niet altijd werkt, bijvoorbeeld als de drone ingezet wordt voor het uitvoeren van een waypointmissie. En dat is nu juist één van de gewenste mogelijkheden, om een drone zelfstandig een voorgeprogrammeerde route te kunnen laten afleggen.

Een ander probleem is dat de standaard detectiesystemen niet altijd betrouwbaar zijn. Bijvoorbeeld omdat er voldoende licht nodig is in het geval van visuele systemen (waardoor ze ’s nachts niet werken), of doordat het detectiesysteem geen fijnmazige objecten kan onderscheiden. Er is in dat geval behoefte aan andere ‘sense & avoid’ oplossingen, bijvoorbeeld op basis van een laserscanner.

Als het gaat om het detecteren en vermijden van ander luchtverkeer, dan is de spoeling al helemaal dun. Er zijn weliswaar drones op de markt die op basis van ADS-B kunnen waarschuwen voor ander luchtverkeer, maar helaas zijn lang niet alle luchtvaartuigen voorzien van een ADS-B ‘out’ transponder.

Innovatie aanjagen

Om toch meters te kunnen maken als het gaat om de inzet van autonome drones is het onderwerp ‘sense & avoid’ als uitgangspunt genomen voor één van de deelprojecten binnen het Drone2Go-project. Aan verschillende bedrijven is gevraagd om met innovatieve oplossingen te komen als het gaat om het detecteren van (tijdelijke) obstakels.

Een aantal van deze oplossingen zijn gepresenteerd tijdens de opening van het Drone2Go-testgebied langs de Waal. Dat het nodig is om in de praktijk te kunnen experimenteren bleek tijdens verschillende demonstraties: de drone van van één van de consortia had grote moeite om vlekkeloos voorbij een container te komen, een drone van een ander consortium wilde niet aan de beoogde waypointmissie beginnen.

Verschillende oplossingsrichtingen

Er zijn niet alleen verschillende technische ideeën over hoe sense & avoid zou kunnen werken. Een deel van de oplossing zit ‘m in het voorkomen dat de drone überhaupt obstakels tegenkomt, stelt Bart Slinger van Mapture.ai. “Veel kun je eigenlijk al opvangen door obstakels en zones vooraf te programmeren. De obstacle avoidance van DJI zien we als een soort laatste redmiddel, want die detecteert lang niet alles. Kabels detecteren lukt zelfs een Skydio nog niet betrouwbaar. Of je kabels ziet met lidar of radar weet ik niet zeker, maar dan neem je behoorlijk wat extra gewicht mee en is ook niet handig.”

Opmerkelijk is dat een ander consortium juist wel uitgaat van een laserscanner als mogelijke oplossingsrichting. Zo hebben Mainblades en Deck180 een lidar bevestigd op een industriële drone van DJI. Ook in dit geval wordt een combinatie gemaakt met voorgeprogrammeerde kennis van de omgeving: “De vlucht wordt gepland rekening houdend met een hoogtekaart van Nederland. Het lidar-systeem zal onverwachte obstakels ontwijken en op locatie de optimale route afhandelen.”

Het consortium bestaande uit AirHub en DroneQ kiest voor obstakeldetectie op basis van bestaande hardware, in dit geval de sensoren op een DJI Mavic 2 Pro. Maar in plaats van te vertrouwen op de software van DJI voor de afhandeling van de obstakeldetectie is ervoor gekozen om zelf een algoritme te ontwikkelen. Daarbij wordt het ontbreken van zijwaartse sensoren slim omzeild, door de drone steeds even om zijn as te laten draaien om ook even zijwaarts te kijken voordat de route vervolgd wordt.

Het Twentse Robor electronics BV gooit het over een heel andere boeg. Dit bedrijf stelt voor om dynamische obstakels (zoals een hijskraan) en de drones te voorzien van zogenaamde UTM tags. Deze geven continu hun positie door aan drones die in de buurt vliegen. Op die manier kunnen obstakels en andere drones ontweken of juist gevolgd worden. Het voordeel van die methode is dat het ook werkt als het mistig is. Bovendien werkt het systeem in een lokaal netwerk, dus er is geen 4G nodig. Een nadeel is dat het systeem alleen werkt als alle obstakels in de directe omgeving voorzien zijn van zo’n tag. Maar door bruggen, windmolens en bomen in de vluchtplanning mee te nemen als zijnde statische obstakels, kan hier ook rekening mee worden gehouden.

Vliegverkeer ontwijken

Een ander aandachtspunt betreft het detecteren en liefst ook ontwijken van ander luchtverkeer. Maar dat vergt weer een heel andere aanpak. Slinger: “Voor het detecteren van ander vliegverkeer zijn we voor nu aangewezen op ADS-B, maar dat heeft natuurlijk niet alles. Wij zetten erop in dat UTM uitkomst gaat bieden op lange termijn. Daarnaast heeft het Mavlab van de TU Delft interessante ervaringen opgedaan met hear & avoid, waarbij naderend luchtverkeer door akoestische detectoren wordt gesignaleerd. Misschien dat we daar nog wat mee kunnen als UTM te lang gaat duren.”

Om toch te kunnen experimenteren met autonome drones is er vooralsnog voor gekozen om het risico op een aanvaring met een ander luchtvaartuig te voorkomen door alleen op zeer lage hoogte te vliegen, boven gebieden waar in principe geen ander luchtverkeer te verwachten is. “Maar uiteindelijk is het de bedoeling dat we ook autonome drones kunnen gaan inzetten op plekken waar wel ander luchtverkeer kan voorkomen, zoals boven drukke havengebieden”, aldus Ariea Vermeulen van Rijkswaterstaat.

Dit artikel werd mede mogelijk gemaakt door Rijkswaterstaat.