Was sind Redundante Systeme bei Drohnen?
Ein wichtiger technischer Durchbruch bei modernen Drohnen, der die Sicherheit und die Wahrscheinlichkeit von Fehlfunktionen während des Betriebs verringert.
Was in aller Welt ist ein redundantes System bei Drohnen?
Drohnen werden durch ein Zusammenspiel vieler technologischer und technischer Durchbrüche vorangetrieben. Diese technologischen Entwicklungen ermöglichen eine erschwingliche Produktion und einen sicheren, effizienten Flug. Einer dieser großen Durchbrüche ist der der redundanten Systeme. Diese Systeme machen das Fliegen einer Drohne vor allem sicherer. Viele Top-Drohnen verwenden sie, aber in Wahrheit fragen sich viele Menschen: Was in aller Welt ist ein redundantes System bei Drohnen?
Hier finden Sie die Antwort!
Was sind eigentlich redundante Systeme in der Technik?
Redundanz ist ein technisches Konzept, bei dem kritische Komponenten oder Funktionen innerhalb eines Systems dupliziert werden, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Zum Beispiel redundante Informationen, Motoren, komplette Geräte, Steuerleitungen, Stromreserven und so weiter. Sicherheitssysteme sind so konzipiert, dass sie mehrfach parallel laufen, so dass beim Ausfall einer Komponente eine andere Ersatzkomponente einspringen kann. Darüber hinaus wird versucht, redundante Systeme räumlich zu trennen, was das Risiko eines gemeinsamen Ausfalls verringert. Manchmal werden Komponenten von verschiedenen Herstellern verwendet, um einen systematischen Ausfall aller redundanten Komponenten zu verhindern. Im Software-Engineering sollten redundante Systeme von unterschiedlichen Teams programmiert werden, es werden unterschiedliche Programmiersprachen verwendet, unterschiedliche Compiler usw.
In der Luftfahrt werden verschiedene Systeme mit dreifacher Redundanz entworfen, die als dreifache modulare Redundanz bezeichnet wird. Bei dreifach redundanten Systemen besteht ein solches System aus drei Teilkomponenten, und alle drei Komponenten müssen ausfallen, bevor das gesamte System ausfällt. Es wird besonders darauf geachtet, dass jede Teilkomponente von höchster Qualität ist, um zu verhindern, dass eine einzelne Komponente jemals ausfällt. Dies minimiert die Wahrscheinlichkeit, dass alle 3 Komponenten oder Ersatzkomponenten ausfallen. Dazu gehören Fly-by-Wire, Hydrauliksysteme und Teile der Flugzeugsteuerung. Menschenleben hängen davon ab!
Funktionen der Redundanz in einem System
Grundsätzlich gibt es 2 Arten von Redundanz in Systemen, nämlich aktive und passive Redundanz. Beide sollen eine Verschlechterung der Leistung oder eine Überschreitung der Spezifikationsgrenzen verhindern, ohne dass ein menschliches Eingreifen erforderlich ist. Um die Funktionen der Redundanz besser zu verstehen, werden die verschiedenen Arten hier kurz besprochen.
Passive Redundanz oder Betriebsredundanz:
Dies bedeutet, dass zusätzliche Ressourcen bereitgestellt werden, die aber nur im Falle eines Ausfalls oder einer Störung benötigt werden. Ein Beispiel aus der Praxis wäre die zusätzliche Stärke von Kabeln oder Verstrebungen in Brücken. Die zusätzliche Aussteifung einer Brücke macht es möglich, dass das Bauwerk auch dann noch steht, wenn einige strukturelle Komponenten gebrochen sind.
Ein weiteres gutes Beispiel für redundante Systeme sind Ihre Augen und Ohren. Der Verlust der Sehkraft auf einem Auge macht Sie nicht blind, obwohl die Tiefenwahrnehmung beeinträchtigt wird. Auch der Verlust des Gehörs auf einem Ohr führt nicht zu völliger Taubheit, auch wenn der Richtungssinn verloren geht.
Kurz gesagt, bei passiver Redundanz führt eine begrenzte Anzahl von Ausfällen nicht zum Ausfall des gesamten Systems, auch wenn ein Leistungsabfall zu erwarten ist.
Aktive Redundanz:
Bei der aktiven Redundanz wird ein Leistungsabfall durch die Überwachung der Leistung verhindert, die in Form einer Abstimmungslogik funktioniert. Diese Abstimmungslogik arbeitet mit einer elektronischen Schaltung. Ein Beispiel für aktive Redundanz sind elektrische Stromverteilungssysteme. Hier gibt es mehrere Stromleitungen, die die einzelnen Stromerzeugungsanlagen mit den Kunden verbinden. Hier wird jede Stromleitung überwacht, um eine Überlast zu erkennen, die dann mit Leistungsschaltern umgeleitet werden kann. Wird auf einer Stromleitung eine Überlastung festgestellt, wird diese abgeschaltet und der Strom auf die übrigen Leitungen umverteilt.
Die Logik der aktiven Redundanz
Aktive Redundanzsysteme arbeiten nach dem Prinzip der Abstimmungslogik. Die Systeme überwachen die Stromversorgung, und im Falle eines Ausfalls koordinieren die Komponenten, wie einzelne Komponenten neu konfiguriert werden können, um den Betrieb fortzusetzen, ohne die festgelegten Grenzen des Gesamtsystems zu verletzen. Solche Systeme werden häufig in Computern eingesetzt, können aber auch in Systemen verwendet werden, die nicht speziell für Computer gedacht sind.
Stromversorgungssysteme nutzen beispielsweise aktive Redundanz, um die Leistung von Stromerzeugungsanlagen anzupassen, wenn ein Generator ausfällt. Auf diese Weise lassen sich Stromausfälle bei größeren Ereignissen wie Erdbeben oder anderen Katastrophen verhindern. In Computersystemen wird normalerweise nur eine einfache Form dieser Koordinationslogik verwendet, die aus zwei Komponenten besteht. Einem Primärsystem und einem Alternativsystem. Diese beiden Systeme laufen auf einer ähnlichen Software, wobei das alternative System während des reibungslosen Ablaufs nichts tut.
Wie funktioniert nun diese Redundanzlogik für Systeme?
Die primäre Komponente des Systems überwacht sich selbst und sendet in regelmäßigen Abständen eine Aktivitätsmeldung an die alternative Komponente, dass alles in Ordnung ist. Stellt das Primärsystem jedoch einen Fehler fest, stoppt es sofort alle Ausgaben, einschließlich der Aktivitätsmeldung an das Sekundärsystem. Sobald es keine Meldungen mehr von der Primärkomponente gibt, übernimmt das Sekundärsystem die Aufgaben des Primärsystems.
Eine andere Art der Abstimmungslogik, die ebenfalls zuverlässiger ist, beinhaltet eine ungerade Anzahl von Komponenten, 3 oder mehr. Alle Komponenten führen identische Aufgaben aus und die Ausgaben der Komponenten werden verglichen. Nun stellt die Abstimmungslogik fest, ob es Unstimmigkeiten zwischen den Komponenten gibt. Die Mehrheit schaltet nun die Komponente mit dem abweichenden Ergebnis aus. Auf diese Weise wird der normale Betrieb nicht unterbrochen. Solche Systeme werden in der Luftfahrt oder einer Drohne eingesetzt.
Wie nutzen Drohnen redundante Systeme?
Moderne Drohnen verfügen heute über sehr ausfallsichere Mechanismen wie die "Go-Home-Funktion" oder die Fähigkeit, bei niedrigem Akkustand oder mit einem oder, je nach Modell, mehreren Motoren eine Notlandung durchzuführen.
Was passiert eigentlich, wenn eines dieser sicheren Systeme ausfällt?
Redundante Systeme sind für die Szenarien vorgesehen und können das Risiko auf ein Minimum reduzieren und so schwere Unfälle vermeiden. Ein redundantes System macht die Drohne zwar schwerer, kann aber auch die Genauigkeit sowie die Leistung und Stabilisierung um ein Vielfaches erhöhen.
Hier sind einige Beispiele für die Funktionsweise solcher Systeme bei der DJI M30T
Doppelte Trägheitsmessung
Eine Inertialmesseinheit (IMU) misst die dreiachsige Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit einer Drohne in Echtzeit. Dies hilft bei der Berechnung der Geschwindigkeit, der Position und des Lagewinkels der Drohne. Im Falle eines Ausfalls der Trägheitsmesseinheit wird die Haupteinheit deaktiviert und die Backup-Einheit aktiviert.
Duales Barometer
Zur genauen Bestimmung der relativen Höhe der Drohne sind Barometer eingebaut, die auf dem atmosphärischen Druck basieren, so dass die Höhe genau bestimmt werden kann. Die doppelte Barometerredundanz ermöglicht es, bei einem Barometerausfall das defekte Barometer abzuschalten und das Backup-Barometer zu verwenden, was den sicheren Betrieb der Drohne nicht beeinträchtigt.
Zwei RTK-Antennen + GNSS-Modul
Das RTK-System (Real Time Kinematic) ermöglicht eine zentimetergenaue Positionierung der Drohne. Die doppelte Redundanz des Systems mit 2 RTK-Antennen und einem GNSS-Modul gewährleistet einen sehr stabilen Betrieb des Positionierungssystems. Die dualen RTK-Antennen unterstützen auch die Kompasse der Drohne, so dass ein stabiler Betrieb auch in komplexen Umgebungen mit elektromagnetischen Störungen möglich ist.
Doppelter Kompass
Ein Kompass liefert der Drohne Kursinformationen. In der DJI M30T sind 2 Kompasse installiert, so dass bei Ausfall eines Kompasses der Ersatzkompass einspringt. Die Kompasse werden auch von den RTK-Modulen unterstützt, so dass die Kompasse die Drohne auch bei einem Ausfall der RTK-Module unterstützen können.
Bildsensoren
Die DJI M30T hat 6 Paare von Bildsensoren, die die Drohne mit binokularem Bildverarbeitungssystem ausstatten. Diese erfassen die Position der Drohne und helfen, Hindernisse zu erkennen und zu vermeiden. Sollten ein oder mehrere Sensorpaare ausfallen (weniger als 6), können die Infrarotsensoren einspringen.
Infrarot-Sensoren
Infrarotsensoren können die Entfernung zu einem Objekt bestimmen, indem sie die Laufzeit eines Infrarotlichtsignals messen. Die DJI M30T ist mit 6 Infrarotsensoren ausgestattet, die Entfernungsinformationen in Echtzeit von allen 6 Seiten der Drohne liefern. Wenn die Drohne nachts oder bei schlechten Lichtverhältnissen eingesetzt wird oder wenn die visuellen Sensoren ausfallen, kann sich das System auf die Infrarotsensoren verlassen.
Redundanz der Steuersignale
Die Kommunikationsverbindung zwischen dem Flugsteuerungssystem und dem Drehzahlregelungssystem (ESC) verwendet eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI) und einen Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART), um eine sichere und stabile Kommunikation zwischen dem Flugsteuerungssystem und dem ESC-System der Drohne zu gewährleisten.
Zwei Akkus
Die DJI M30 Serie verwendet 2 Akkus für den Betrieb. Sollte ein Akku ausfallen, kann der andere Akku den Betrieb eigenständig fortsetzen, um eine sichere Landung zu gewährleisten.
Duale Übertragungsanschlüsse
Die Drohnen der DJI M30-Serie sind mit vier redundanten Antennen ausgestattet. Jede Antenne ist in der Lage, die Drohne mit Übertragungsdaten zu versorgen. Außerdem nutzt sie verschiedene Bänder wie 2,400 bis 2,4835 GHz sowie 5,725 bis 5,850 GHz. Dadurch kann die Drohne auch in lauten Umgebungen, in denen ein Band gestört werden könnte, auf das andere Band umschalten. Darüber hinaus ist es sogar möglich, diese Drohne zusätzlich über das 4G-Netz zu verbinden, was die Flugsicherheit auf höchstem Niveau gewährleistet.
Notlandung bei defektem Propeller oder Motor
Im Falle eines Ausfall des Motors während des Fluges kann die M30-Serie auch eine Notlandung mit drei Motoren durchführen, wobei die grundlegenden Steuerelemente wie Steigflug, Sinkflug und horizontale Bewegung beibehalten werden, um eine Landung abseits von Menschen, Gebäuden oder anderen Gefahren zu gewährleisten.
ADS-B-Empfänger
Ein weiteres sicherheitsrelevantes Merkmal moderner Drohnen ist ein ADS-B-Empfänger. Dieser erhöht die Sicherheit im Luftraum, da dieser Empfänger Flugzeuge und Hubschrauber in einem Radius von ca. 20 km erkennen kann. Es werden Daten wie Höhe, Kurs und Geschwindigkeit des bemannten Flugobjekts aufgezeichnet. Das Risiko einer nahen Begegnung wird dem Drohnenpiloten nun über die Fernsteuerung mitgeteilt, damit er schnell eine fundierte Entscheidung treffen kann.
Redundante Systeme bei Drohnen sind heute unverzichtbar
Wie Sie sehen, sind moderne Drohnen mit einer Vielzahl von Schutzmechanismen ausgestattet, die denen in Flugzeugen ähneln, um das Risiko eines Unfalls oder Zusammenstoßes zu vermeiden. Da Sie sich in einem Luftraum bewegen, in dem auch Flugzeuge und Hubschrauber unterwegs sind, ist es unerlässlich, Drohnen als Luftfahrzeuge zu betrachten und sie mit den höchstmöglichen Sicherheitsstandards auszustatten.
