Delftse onderzoeker werkt aan verkeersregels voor autonome drones

Autonome drones kunnen in de toekomst ingezet worden voor snelle pakketbezorging, medische hulpverlening of het monitoren van mensenmassa’s. Maar hoe zorgen we ervoor dat dit veilig gebeurt? Joost Ellerbroek, universitair hoofddocent Luchtverkeersmanagement aan de Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft, doet onderzoek naar algoritmes die ervoor zorgen dat autonome drones veilige en efficiënte vliegroutes volgen zonder risico op botsingen.

Verkeersregels voor autonome drones

Bij de meeste dronevluchten van dit moment is nog altijd een menselijke piloot betrokken, die de route bepaalt en de drone bestuurt. In de toekomst zullen drones echter steeds vaker autonoom opereren. Dankzij sensoren en onboard AI kunnen ze zelfstandig een route plannen en indien nodig obstakels of andere luchtvaartuigen ontwijken. Hooguit grijpt een menselijke operator op afstand in als er sprake is van een storing.

In Nederland is autonoom vliegend luchtverkeer nog niet toegestaan. Toch onderzoekt Ellerbroek hoe dit in de toekomst veilig en efficiënt kan worden georganiseerd. Hij benadrukt dat ongelukken moeten worden voorkomen als dit wordt toegelaten. Het huidige luchtverkeersleidingssysteem (Air Traffic Management, ATM) is hier niet op ingericht, omdat autonome drones geen piloten hebben die met luchtverkeersleiding kunnen communiceren. Daarom is er een nieuw systeem nodig, waarbij hij zich richt op de beste manier om een Unmanned Traffic Management (UTM)-systeem te ontwerpen.

Binnen UTM ligt zijn focus met name op separatie en de vraag hoe zelfstandig vliegende drones voldoende afstand van elkaar kunnen houden. Net zoals er verkeersregels zijn voor auto’s, kunnen er afspraken worden gemaakt over vliegsnelheden en minimale afstanden. Een van de mogelijke oplossingen is het opdelen van het luchtruim in verticale lagen, waarbij drones in dezelfde richting vliegen. Dit verkleint de kans op conflicten, vooral als ze een vaste snelheid aanhouden.

Centraal versus decentraal verkeersbeheer

Naast verkeersregels richt Ellerbroek zich op separatiebeheer en het voorkomen en oplossen van botsingsrisico’s. Dit begint al voordat een drone opstijgt, door het plannen van een veilige route. Er zijn twee manieren om dit te organiseren: centraal of decentraal. In een centraal systeem dient elke drone-exploitant een vluchtplan in bij een autoriteit, die met behulp van algoritmes de optimale routes berekent zodat er geen conflicten ontstaan.

Hoewel een centraal beheerd systeem in theorie voordelen heeft, wijst Ellerbroek op de praktische beperkingen. In een ideale wereld zou dit de beste oplossing zijn, maar de realiteit is minder voorspelbaar. Weersomstandigheden, onverwachte manoeuvres en incomplete informatie kunnen zo’n systeem minder betrouwbaar maken. Daarom ziet hij meer potentie in een decentrale aanpak, waarbij drones zelf beslissingen nemen op basis van slimme algoritmes.

Interessant in dit verband is dat U-space, het Europese systeem voor het op grote schaal managen van droneverkeer in de toekomst, momenteel uitgaat van een centrale aanpak. Volgens Ellerbroek zijn de huidige U-space-plannen weliswaar gebaseerd op gecentraliseerd strategisch separatiebeheer, maar wordt ook het belang van tactische gedistribueerde acties erkend, voor het oplossen van korte-termijn conflicten tijdens de vlucht, die niet waren voorspeld (en voorkomen) door het centrale strategische systeem. Met andere woorden: ook U-space kan in de toekomst rekening houden met zelfstandige acties van drones.

Emergent gedrag als uitdaging

Ellerbroek werkt aan algoritmes die ervoor zorgen dat drones autonoom veilige afstanden bewaren. Zo’n algoritme moet duidelijke regels bevatten over hoe drones op elkaar reageren. Bijvoorbeeld dat ze altijd samenwerken om op een veilige manier uit te wijken. Door middel van simulaties test hij of deze methoden werken, niet alleen voor twee drones, maar voor duizenden tegelijk.

Een van de grootste uitdagingen is het fenomeen ‘emergentie’, waarbij onverwachte effecten ontstaan door interacties tussen individuele drones. Als twee drones uitwijken, kunnen ze onbedoeld nieuwe conflicten veroorzaken met andere drones, wat een kettingreactie op gang kan brengen. In het ergste geval kunnen de conflicten exponentieel toenemen, wat het systeem instabiel maakt. Maar emergentie kan ook positief uitpakken. Een goed voorbeeld hiervan is een rotonde, die bestuurders dwingt om in dezelfde richting te rijden, waardoor de kans op botsingen afneemt. Een vergelijkbaar principe zou toegepast kunnen worden in het luchtruim.

Maatschappelijke vraagstukken

Hoewel Ellerbroek ervan overtuigd is dat autonoom luchtverkeer veilig georganiseerd kan worden, vindt hij dat de belangrijkste vraag is waar drones eigenlijk voor moeten worden ingezet. Voor medische toepassingen is hij enthousiast, omdat drones levens kunnen redden door snel en flexibel medicijnen of organen te vervoeren. Ook grotere elektrische luchttaxi’s kunnen een duurzamer alternatief vormen voor traumahelikopters.

Voor commerciële bezorgdiensten is hij sceptischer. Hij stelt dat het de vraag is of hiermee niet juist onnodig consumentisme wordt aangewakkerd, wat problematisch kan zijn als het gaat om publieke acceptatie. De echte discussie ligt volgens hem in de balans tussen maatschappelijke noodzaak en gemak. De komende jaren zullen we als samenleving moeten bepalen waarvoor we ons luchtruim willen gebruiken.

(bron: TU Delft)