Sichere Autonomie
Sicheres autonomes Fliegen – eine Vision, die viele neue Anwendungsfelder für unbemannte Luftfahrzeuge erschließt, wie zum Beispiel:
- Fernerkundung im Katastrophen- und Bevölkerungsschutz, im Umweltschutz, zur Verteidigung, in der Landwirtschaft oder zur Inspektion von Infrastruktur,
- Transport und Auslieferung von Gütern in der humanitären Hilfe oder in entlegenen Regionen,
- Innerstädtischer Personentransport (engl.: urban air mobility) mit elektrisch betriebenen Luftfahrzeugen,
- Überwachung von Betriebsgeländen, Großveranstaltungen und Verkehrsereignissen.
Der sichere autonome Flug, also der Flug ohne einen menschlichen Piloten, wird durch den Einsatz von künstlicher Intelligenz ermöglicht. Das unbemannte Luftfahrzeug wird dafür in die Lage versetzt mithilfe bordseitig integrierter Sensoren und Systeme nicht nur den eigenen Zustand (z.B. seine Position und Lage im Raum) zu erfassen, sondern auch die Umgebung (z.B. Personen, Objekte, Hindernisse) wahrzunehmen und darauf eigenständig zu reagieren. Mit dem Einsatz intelligenter Algorithmen zur autonomen Navigation, Flugführung und -steuerung, gehen auch neuartige Sicherheitsrisiken einher. Dies erfordert neue Methoden und Werkzeuge für das Design, die Entwicklung, die Zulassung und den Betrieb unbemannter Luftfahrzeuge. Auch neue Regularien und Standards sind erforderlich, um für unbemannte Luftfahrzeuge im autonomen Betrieb hohe Sicherheitsstandards zu erfüllen.
Für die Vision des sicheren unbemannten Fliegens forscht die Gruppe Sichere Autonomie an den folgenden Themen:
Intelligentes Missionsmanagement
Zukünftig werden unbemannte Luftfahrzeuge komplexe Aufgaben übernehmen und Missionen autonom, also ohne menschliche Einwirkung, durchführen. Die Fähigkeit des menschlichen Piloten, die Gesamtsituation des Luftfahrzeuges zu erfassen sowie missions- und sicherheitskritische Entscheidungen zu treffen, wird durch ein intelligentes System, dem Missionsmanagement, automatisiert. Um dem hohen Sicherheitsanspruch der Luftfahrt zu genügen, werden die im Missionsmanagement implementierten Algorithmen umfangreichen Analysen und Tests unterzogen. So wird sichergestellt, dass in allen erdenklichen Situationen korrekte Entscheidungen herbeigeführt werden. Die Entwicklung und Standardisierung geeigneter Systemarchitekturen und Nachweismethoden für solche Entscheidungssysteme ist ein wichtiger Bestandteil der Forschung. Das Missionsmanagement übernimmt auch die Aufgabe der Kommunikation zu anderen Luftfahrzeugen, zur Bodenkontrollstation und zur Luftverkehrskontrolle. Diese Kommunikation und Interaktion zwischen autonomen Systemen und menschlichen Akteuren ist ein wesentlicher Bestandteil für den sicheren Betrieb autonomer unbemannter Luftfahrzeuge.
Missionsplanung und Trajektorienoptimierung
Auf Basis von Karten und Sensordaten, die mittels künstlicher Intelligenz verarbeitet werden, berechnen Planungsalgorithmen optimale Flugrouten und Trajektorien unter Berücksichtigung der Flugleistungen, der Flugdynamik, des Windes sowie der jeweils gültigen Missionsanforderungen. Für den autonomen Flug ist es besonders wichtig, dass das unbemannte Luftfahrzeug die eigene Route auch während des Fluges eigenständig umplanen kann. So kann beispielsweise eine Lieferdrohne rechtzeitig einen sicheren Notlandeplatz anfliegen, sollte der Weiterflug durch einen Wetterumschwung zu riskant werden. Auch im Falle eines Abbruchs der Funkverbindung zur Bodenkontrollstation soll das Luftfahrzeug in der Lage sein, eigenständig intelligente Entscheidungen zu treffen und den Flug sicher fortzusetzen. Im Fokus der Forschung stehen daher effiziente Algorithmen für die Bewegungsplanung und Mehrzieloptimierung sowie die Integration bordautonomer Systeme zur Missions- und Trajektorienoptimierung.
Aufgabenbasierte und Robuste Flugregelung
Die automatische Durchführung komplexer Missionsaufgaben erfordert häufig maßgeschneiderte Lösungen für die Flugregelung, welche über grundlegende Fähigkeiten (z.B. Wegpunktnavigation) hinausgehen. Echte Herausforderungen des Fliegens - selbst für menschliche Piloten - sind beispielsweise die Luft-zu-Luft Betankung oder das Landen auf einem Schiffsdeck bei rauer See. Die Automatisierung dieser Flugregelungsaufgaben erfordert den Einsatz spezialisierter Algorithmen, welche robust gegenüber Unsicherheiten in der Zustandsschätzung und Systemmodellierung sind. Häufig sind dabei auch zusätzliche Sensoren oder Systeme, wie beispielsweise eine schwingende Außenlast oder eine spezielle Landevorrichtungen, zu berücksichtigen. Die Forschung an Lösungen für diese vielfältigen Herausforderungen der Regelungstechnik liefert einen maßgeblichen Beitrag für die zukünftige Entwicklung sicherer autonomer Systeme.
Nachweisführung und Absicherung von Künstlicher Intelligenz
Für die Realisierung des autonomen unbemannten Fliegens sind Algorithmen der künstlichen Intelligenz unerlässlich. Insbesondere mithilfe von maschinellem Lernen können komplexe Aufgaben, wie z.B. die Wahrnehmung der Umgebung mittels optischer Sensoren oder die Detektion von Anomalien im Systemverhalten, automatisiert werden. In diesem Kontext liegt eine der entscheidenden Herausforderungen im Nachweis der sicheren und korrekten Funktionsweise der Algorithmen sowie der integrierten Systeme. Für den Einsatz in sicherheitskritischen Anwendungsfällen - und hierzu gehört auch das autonome unbemannte Fliegen - sind daher neue Methoden der Nachweisführung erforderlich. Dies umfasst zum einen die Analyse der Algorithmen hinsichtlich ihrer Funktionsweise und verschiedener Eigenschaften. Zum anderen kann durch die Überwachung und Absicherung von Systemen zur Laufzeit (engl. Runtime Monitoring) die Nachweisführung erheblich vereinfacht werden. Insbesondere der Einsatz formaler Methoden birgt ein großes Potential in diesem Kontext. Ziel der Forschung zu diesen Themen ist es, den nachweislich sicheren Einsatz von künstlicher Intelligenz in unbemannten Luftfahrzeugen zu ermöglichen und voranzutreiben.
