16. Oktober 2017

Multicopter: Drohnen als Paketboten der Zukunft

Warenlieferung per automatisierten oder gar autonomen Drohnen? Was man allenfalls als Vision aus Science-Fiction-Filmen kennt, könnte schon bald Alltag sein. Zumindest, wenn es nach Amazon, UPS, Mercedes Benz und DHL geht. Wo liegen dabei die Herausforderungen, was ist in Deutschland gesetzlich erlaubt – Stichwort Luftraumsicherung? Und welche logistischen Ansätze der Dienstleister sind bereits bekannt? Eine Zusammenfassung.

Duocopter, Tricopter, Quadcopter, Hexacopter und Octocopter: All diese Drohnen-Varianten fliegen – jedoch sind diese Fachbegriffe nicht so weit verbreitet wie die Sammelbezeichnung Flugdrohne. Sie fasst im Allgemeinen alle Bauarten von sogenannten Multicoptern zusammen. Der Unterschied ist lediglich die Anzahl der verwendeten Propeller und Motoren. Ein weiterer Begriff, den man in diesem Zusammenhang häufig hört, ist das ‚unbemannte Flugobjekt’ (engl. Unmanned Arial Vehicle, kurz UAV). Es schließt, im Gegensatz zur Begrifflichkeit ‚Drohne’, Objekte zu Wasser und an Land aus. Ebenfalls ein gängiger Begriff: Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS). Dabei handelt es sich explizit um Luftfahrzeuge, die, im Gegensatz zu autonomen Flugobjekten, nicht ohne Fernsteuerung in die Luft aufsteigen (automatisierte Flugkontrolle).

  • Ein Duocopter verfügt über zwei horizontale Rotoren und Motoren (sehr selten).
  • Ein Tricopter verfügt über drei horizontale Rotoren und Motoren (sehr selten).
  • Ein Quadcopter verfügt über vier horizontale Rotoren und Motoren.
  • Ein Hexacopter verfügt über sechs horizontale Rotoren und Motoren.
  • Ein Octocopter verfügt über acht horizontale Rotoren und Motoren.

 

Multicopter und die Regeln der Physik

Je mehr Masse man bewegen möchte, desto mehr Energie muss aufgebracht werden. Da die Energie für einen Flug aus einem in der Flugdrohne platzierten Energiespeicher kommt, der generell Platzmangel erfährt, stößt man schnell an seine Grenzen. Mehr Energie bedeutet, dass man einen größeren und in der Folge schwereren Akku verwenden muss, der wiederum die zu bewegende Masse erhöht. Nutzt man die Drohne zum Transportieren von Gütern, muss zusätzlich noch die Zuladung bedacht werden, die das eigentliche Gewicht zusätzlich erhöht. Dabei gibt es derzeit drei denkbare Varianten:

  • Am Drohnenboden ist ein zusätzliches Fach angebracht, in dem Ware verstaut werden kann.
  • Am Drohnenboden ist ein Netz angehängt, in dem die zu transportierende Ware liegt.
  • Am Drohnenboden ist eine Tasche angehängt, die am Zielort per Fallschirm ausgeliefert wird (siehe Amazon-Beispiel).

Hinweis: Flugdrohnen können mit einer Zuladung von bis zu vier Kilogramm derzeit (2017) eine Flugzeit von lediglich 20-30 Minuten erreichen.

Die Einsatzgebiete der Multicopter sind dabei dennoch vielfältig. So dienen sie als Hobby-Objekt zum reinen fliegen, filmen und fotografieren. Oder sie kommen im professionellen Bereich zum Einsatz. In den folgenden Geschäftsfeldern haben sich die fliegenden Drohnen schon etabliert.

  • Forschung
  • Forst- und Landwirtschaft
  • Industrielle Wartung
  • Vermessungstechnik / terrestrische Vermessung
  • Schutz der Bevölkerung durch Polizei, Feuerwehr oder THW
  • Einsatz in der Logistik (siehe Testphasen)
  • Katastrophenschutz
  • Grenzschutz
  • Filmindustrie

Gesetzeslage in Deutschland

 

Wesentliche Regelungen: Drohnen-Verordnung

1. Kennzeichnungspflicht: Alle Flugmodelle und unbemannte Luftfahrtsysteme ab einer Startmasse von mehr als 0,25 Kilogramm müssen künftig gekennzeichnet sein, um im Schadensfall schnell den Halter feststellen zu können. Die Kennzeichnung erfolgt mittels Plakette mit Namen und Adresse des Eigentümers.

2. Kenntnisnachweis: Für den Betrieb von Flugmodellen und unbemannten Luftfahrtsystemen ab zwei Kilogramm ist künftig ein Kenntnisnachweis erforderlich. Der Nachweis erfolgt durch a) gültige Pilotenlizenz, b) Bescheinigung nach Prüfung durch eine vom Luftfahrt-Bundesamt anerkannte Stelle (auch online möglich), Mindestalter: 16 Jahre c) Bescheinigung nach Einweisung durch einen Luftsportverein (gilt nur für Flugmodelle), Mindestalter 14 Jahre. Die Bescheinigungen gelten für fünf Jahre. Für den Betrieb auf Modellfluggeländen ist kein Kenntnisnachweis erforderlich.

3. Erlaubnisfreiheit: Für den Betrieb von Flugmodellen und unbemannten Luftfahrtsystemen unterhalb einer Gesamtmasse von fünf Kilogramm ist grundsätzlich keine Erlaubnis erforderlich. Der Betrieb durch Behörden ist generell erlaubnisfrei, wenn dieser zur Erfüllung ihrer Aufgaben stattfindet, ebenso der Betrieb durch Organisationen mit Sicherheitsaufgaben, beispielsweise Feuerwehren, THW, DRK etc..

4. Erlaubnispflicht: Für den Betrieb von Flugmodellen und unbemannten Luftfahrtsystemen über fünf Kilogramm und für den Betrieb bei Nacht ist eine Erlaubnis erforderlich. Diese wird von den Landesluftfahrtbehörden erteilt.

5. Chancen für die Zukunftstechnologie: Gewerbliche Nutzer brauchten für den Betrieb von unbemannten Luftfahrtsystemen bisher eine Erlaubnis – unabhängig vom Gewicht. Künftig ist für den Betrieb von unbemannten Luftfahrtsystemen unterhalb von fünf Kilogramm grundsätzlich keine Erlaubnis mehr erforderlich. Zudem wird das bestehende generelle Betriebsverbot außerhalb der Sichtweite aufgehoben. Landesluftfahrtbehörden können dies künftig für Geräte ab fünf Kilogramm erlauben.

6. Betriebsverbot: Ein Betriebsverbot gilt künftig für Flugmodelle und unbemannte Luftfahrtsysteme

  • außerhalb der Sichtweite für Geräte unter fünf Kilogramm;
  • in und über sensiblen Bereichen, zum Beispiel Einsatzorten von Polizei und Rettungskräften, Krankenhäusern, Menschenansammlungen, Anlagen und Einrichtungen wie JVAs oder Industrieanlagen, oberste und obere Bundes- oder Landesbehörden, Naturschutzgebieten;
  • über bestimmten Verkehrswegen;
  • in Kontrollzonen von Flugplätzen (auch An- und Abflugbereiche von Flughäfen);
  • in Flughöhen über 100 Metern über Grund, es sei denn, der Betrieb findet auf einem Gelände statt, für das eine allgemeine Erlaubnis zum Aufstieg von Flugmodellen erteilt und für die eine Aufsichtsperson bestellt worden ist, oder, soweit es sich nicht um einen Multicopter handelt, der Steuerer ist Inhaber einer gültigen Erlaubnis als Luftfahrzeugführer oder verfügt über einen Kenntnisnachweis;
  • über Wohngrundstücken, wenn die Startmasse des Geräts mehr als 0,25 Kilogramm beträgt oder das Gerät oder seine Ausrüstung in der Lage sind, optische, akustische oder Funksignale zu empfangen, zu übertragen oder aufzuzeichnen. Ausnahme: Der durch den Betrieb über dem jeweiligen Wohngrundstück in seinen Rechten Betroffene stimmt dem Überflug ausdrücklich zu;
  • über 25 Kilogramm (gilt nur für ‚Unbemannte Luftfahrtsysteme‘).

7. Ausweichpflicht: Unbemannte Luftfahrtsysteme und Flugmodelle sind verpflichtet, bemannten Luftfahrzeugen und unbemannten Freiballonen auszuweichen.

8. Einsatz von Videobrillen: Flüge mithilfe einer Videobrille sind erlaubt, wenn sie bis zu einer Höhe von 30 Metern stattfinden und das Gerät nicht schwerer als 0,25 Kilogramm ist oder eine andere Person es ständig in Sichtweite beobachtet und in der Lage ist, den Steuerer auf Gefahren aufmerksam zu machen. Dies gilt als Betrieb innerhalb der Sichtweite des Steuerers.

Wichtig: Die zuständige Behörde kann Ausnahmen von den Verboten zulassen, wenn der Betrieb keine Gefahr für die Sicherheit des Luftverkehrs oder die öffentliche Sicherheit oder Ordnung, insbesondere eine Verletzung der Vorschriften über den Datenschutz und über den Naturschutz darstellt und der Schutz vor Fluglärm angemessen berücksichtigt ist. Insbesondere bei einem geplanten Betrieb außerhalb der Sichtweite lässt sich die Genehmigungsbehörde eine objektive Sicherheitsbewertung vorlegen.

Die Verordnung ist am 06. April 2017 im Bundesgesetzblatt verkündet worden und am 07. April in Kraft getreten. Die Regelungen bezüglich der Kennzeichnungspflicht und die Pflicht zur Vorlage eines Kenntnisnachweises gelten ab dem 01. Oktober 2017.

Wir glauben nicht, dass Drohnen in nächster Zukunft bis vor die Haustür oder den individuellen Balkon fliegen, sondern in festgelegten Korridoren, beispielsweise vom Lager zum Verteilzentrum. Die letzte Meile wird dann nach wie vor mit dem Auto oder dem Fahrrad erledigt.

Jörg Lamprecht, CEO der Dedrone GmbH in Kassel

Drohnen in der logistische Praxis

Bis zur massentauglichen Lieferung per Flugdrohne ist es noch ein weiter Weg. Auch wenn die Idee dahinter relativ leicht umzusetzen ist: Man nehme eine Drohne, hänge ein Paket darunter und schicke sie auf direktem Weg zum Kunden. Die damit verbundene Verantwortung durch den Betreiber beziehungsweise KEP-Dienstleister wiegt dafür umso schwerer. Denn auf der einen Seite muss der Gesetzgeber in Sachen Flugsicherung die Warenlieferung per Multicopter juristisch berücksichtigen und die dafür nötige Infrastruktur mitgestalten. Auf der anderen Seite müssen Unternehmen die Technologie fortlaufend weiterentwickeln. Dazu gehört auch die Vernetzung der zur Verfügung stehenden Infrastruktur; inklusive der gesetzlichen Sicherheitsbestimmungen (Datenschutz, Flugsicherung, Versicherungsschutz bei Sach- und Personenschaden. Ein dauerhaft kostspieliges Unterfangen. Dennoch, einige Unternehmen wie UPS, Amazon, DHL und Mercedes experiementieren bereits mit den Flugobjekten.

UPS

Für weniger dicht besiedelte Gebiete arbeitet UPS seit einiger Zeit an einer Lösung, die derzeitige Transportlösungen (Transporter) mit Flugdrohnen kombiniert. Die Transportfahrzeuge sollen zukünftig mit Drohnen ausgestattet sein um dem Fahrer Umwege zu ersparen. Im Februar 2017 sprach man von den ersten erfolgreichen Tests: Die Flugdrohne wurde vom Fahrer des Transporters bestückt und lieferte die Testpakete autonom an Privathaushalte aus. Die Drohne kehrte nach der Auslieferung eigenständig zum Fahrzeug zurück; während der Zusteller seine Route im Umkreis fortsetzte und andere Pakete auslieferte (siehe Video). Die maximale Flugzeit soll dabei 30 Minuten betragen haben. Die Traglast wird mit 4,5 Kilogramm angegeben. UPS gibt an, durch die zusätzliche Unterstützung aus der Luft, kostspielige Fahrtkosten drastisch reduziert zu haben. So kann das Einsparen von nur einer Meile pro Zusteller pro Tag über ein Jahr hinweg die Kosten nach Unternehmensangaben um bis zu 42 Millionen Euro senken.

 

Amazon

Amazon hat ebenfalls sehr großes Interesse, seine Ware über den Luftweg dem Kunden zur Verfügung zu stellen, verfolgt jedoch einen anderen Ansatz. Die Ware soll direkt aus einem ‚fliegenden Distributionszentrum’ an den Kunden ausgeliefert werden. Ein Patent zeigt zu diesem Zweck, futuristisch wirkende Luftschiffe, die in einer Höhe von bis 13.700 Metern über dem Erdboden schweben. Ein Schwarm Drohnen soll die Waren dann rasch und zielgenau zu den Kunden bringen. So zumindest der Plan des US-Unternehmens. Es gibt allerdings auch Pläne, direkt aus einem ‚klassischen‘ Distributionszentrum Drohnen aufsteigen zu lassen – inmitten einer Stadt. Zudem ist ein Konzept bekannt, bei dem Amazon, ähnlich wie UPS, ein klassisches Transportmittel, als Basis nutzt: den Zug (siehe Patent-Abbildung). Der Dienst soll sich zudem nicht nur auf Konsumgüter beschränken. Amazon plant die Zustellung von Lebensmitteln oder sogar fertig zubereiteten Mahlzeiten mittels Flugdrohne.

Das Distributionszentrum von Amazon ist wie eine Art Bienennest aufgebaut. Drohnen liefern die Waren aus dem Stock direkt an den Kunden.

Das Amazon-Distributionszentrum der Zukunft: Ausgeliefert wird per Drohnen. (Bild: Amazon)
Das Schienennetz als Verteiler von Waren? Amazon will seine Drohnen sowie die Güter auf Züge umlagern und nahe des Kunden ausliefern.

Ein weiteres Patent zeigt die Auslieferung von einem Schienenfahrzeug aus. Distributionszentrum und Drohnen sind dabei in den Wagon eingelassen. (Bild: Amazon)

 

In knapp 13 Kilometern sollen Güter und Drohnen mittels Luftschiff schweben und bei Bedarf zusammen als Bote der Zukunft agieren.

Die wohl zukunftsträchtigste Version: das fliegende Lager. Drohnen und Güter sind hängend unter dem tragenden Flugobjekt geplant. (Bild: Amazon)

 

Das schwebende Lager von Amazon soll in Zukunft Waren direkt über der Stadt lagern und so den Kunden aus der Luft beliefern.

In knapp 13 Kilometern sollen die fliegenden Luftschiffe samt Distributionszentrum schweben. (Bild: Amazon)

 

Auch wenn die Luftschiffe natürlich noch Zukunftsmusik sind: Die Belieferung via Drohne ohne Mutterschiff ist auch beim US-Konzern schon lange Thema. So sollen die Amazon-Drohnen von ‚Prime-Air’ noch vor den Luftschiffen die letzte Meile zum Kunden übernehmen. Das Besondere: Die Amazon-Drohne wird nach Konzernangaben wesentlich weniger Energie verbrauchen als herkömmliche Drohnen. So lassen die Lieferdrohnen das Päckchen einfach über dem Bestimmungsort fallen; die Ware hängt dabei an einem Fallschirm. Das Abwerfen führt dazu, dass weniger Starts und Landungen benötigt werden.

DHL

Auch in Deutschland wird bereits an der Auslieferung mit Hilfe von Flugobjekten gearbeitet. Die DHL forscht seit 2013 am ‚Paketkopter’ und hat ihre Ergebnisse seitdem sehr transparent dargelegt. DHL konzentriert sich zunächst auf schwer zugängliche Gebiete wie etwa die Nordseeinseln oder Örtlichkeiten, die durch Bergketten nur schwer zugänglich sind. Letztere Testphase wurde mittels einer speziell entwickelten Packstation, dem Parcelcopter SkyPort, 2016 realisiert und erfolgreich getestet (siehe Video).

  • Privatkunden konnten auf der Winklmoosalm ihre Lieferung, während einer dreimonatigen Testphase und durch das Einlegen der Sendungen in den Skyport, avisieren.
  • Der Paketkopter im inneren des Skyports übernahm die Sendung automatisch (siehe Video) und lieferte diese autonom an den Empfänger aus.

Insgesamt wurden 130 autonome Be- und Entladungen innerhalb der Projektlaufzeit durchgeführt. Dabei wurden vom Tal bis zur Alm 500 Höhenmeter pro Strecke und eine Distanz von acht Kilometern zurückgelegt. Die Nutzlast betrug bis zu zwei Kilogramm und die Reisegeschwindigkeit wird mit 70 Kilometern pro Stunde angegeben (siehe Grafik).

 


Erwähnenswert: die Entwicklungsstufen der drei Pilotprojekte. So war die Nutzlast 2013 und 2014 noch auf 1,2 Kilogramm begrenzt. 2016 konnten schon zwei Kilogramm transportiert werden. Zudem erreichte man zu Anfang lediglich eine Spitzengeschwindigkeit von 43 Kilometer pro Stunde (2016 waren es, wie erwähnt, 70 Kilometer pro Stunde). Dabei muss man erwähnen, dass 2013 und 2014 ein Quadkopter zum Einsatz kam; seit 2016 setzt die DHL auf einen Kippflügler. Dieser hat eine Spannweite von knapp zwei Metern, eine Länge von 2,2 Metern und wiegt ohne Güter 14 Kilogramm. Da kann ein herkömmlicher Quadcopter natürlich nicht mithalten. Die Besonderheit beim Kippflügler sind die Tragflächen, die für Start und Landung um die Querachse des Flugzeugs gekippt werden, um die Schubrichtung der beiden Elektrotriebwerke zu ändern.

Mercedes Benz

Auch der Autohersteller Mercedes Benz erprobt den Einsatz seiner Vans gepaart mit der Drohnentechnologie. Auf der einen Seite arbeitet man seit geraumer Zeit mit dem US-Unternehmen Matternet zusammen (siehe Video), auf der anderen Seite hat man mit dem Projekt ‚Vision Van‘ seit 2016 eine Transporter-Studie für den urbanen Raum entwickelt, die den vorherigen Projekten einige Jahre voraus scheint. Der Grund: „Der ‚Vision Van‘ vernetzt zahlreiche Technologien und wird zum zentralen, intelligenten Element in einer vollständig vernetzten Zustellungskette. Neuartige Algorithmen steuern Kommissionierung und Verladung der Packstücke, das vollautomatisierte Laderaummanagement sowie die Routenplanung für das Fahrzeug und die Zustelldrohnen“ so das Unternehmen. Der Clou dabei: Das Fahrzeug transportiert nicht nur die Waren; es hat sein eigenes Mini-Hochregallager im Inneren (siehe Bild).

Mercedes Benz schickt seinen Vision-Van auf die Straßen - mit eigenem Hochregallager.

 

Drohnenbasis vs. dezentrale Hubs

Die beste Transportdrohne ist sinnlos, wenn sie nichts transportieren kann. Im klassischen Transportwesen setzt man schon lange auf zentrale oder dezentrale Distributionszentren. Auch kleinere Hubs, in denen Waren dezentral zwischengelagert werden können, werden immer häufiger in die logistischen Planungen der Unternehmen berücksichtigt.

Bezieht man sich auf die erwähnte Flugzeiten der einzelnen Drohnen, hat hinsichtlich der logistischen Infrastruktur ein zentrales Distributionszentrum wenig Sinn. In wie weit ein dezentrales Lager nützlicher erscheint, wird derzeit (siehe Beispiele) von vielen KEP-Dienstleistern und großen Konzernen (Amazon, Mercedes Benz) in Feldversuchen getestet. Egal ob eine zentrale Drohnenbasis oder dezentrale Hubs: Ein entsprechendes Liefergebiet wird auch in Zukunft nur über einen kleinen Radius verfügen. Neben der nicht ausreichenden Akku-Leistung der Flugdrohnen muss der Nachschub zudem in völlig neuen Prozessen gedacht werden. Ob sich diese Art der Logistik auch für Metropolregionen anbietet, muss vor allem von Gerichten geklärt werden: Flugsicherung, Versicherungsschutz, Faktor Mensch, derzeitige Gesetzeslage (siehe Gesetzeslage) und natürlich die fehlende Infrastruktur sind dabei als wichtige Punkte zu nennen.

Fazit: Kundenlieferung aus der Luft: die Zukunft der Logistik?

Heute verstopfen Lieferfahrzeuge der KEP-Dienstleister ganze Straßenzüge, da sie notgedrungen in der zweiten Reihe parken. In den Großstädten ist das Gedränge häufig so groß, dass sich die Lieferanten nicht selten selbst blockieren. Verschärft wird die Entwicklung durch Kunden, die immer schnellere Lieferungen einfordern. Eine Umverteilung von Lieferaufträgen, die von Drohnen übernommen werden können, hat allerdings nur bei bestimmten Waren Sinn.

Die Vorteile einer Lieferung aus der Luft liegen dennoch klar auf der Hand: Die Paketdrohnen sind nicht an das Straßennetz gebunden. Natürliche Barrieren stellen kein Hindernis für sie dar. Auch städtische Gebiete könnten, mit mehr Aufwand, angeflogen werden. Transportdrohnen erlauben eine Entkopplung vom klassischen Verkehrsnetz und zentraler Logistik, deren Konsequenzen wir allerdings derzeit nur erahnen können. Letztlich werden in einigen Fällen Straßen und Schienen nicht mehr notwendig sein. Dennoch, für alle Güter ist die Drohnenlieferung sicher nicht geeignet. Doch sind speziell dringend benötigte Waren wie Medikamente, Nahrungsmittel und Kleidung in schwer zugänglichen Gegenden oder allgemein ländlichen Räumen via Drohne besser und schneller auszuliefern.

Neue smarte Konzepte werden bald darüber entscheiden, wie sich die Drohnen-Technologie in die vorherrschenden Verkehrsflüsse einbindet. Rechenzentren der Unternehmen werden in Zukunft die erhobenen Daten zur Verkehrsdichte, den Wetterbedingungen oder Umweltbelastungen auswerten. Die Informationen stammen dabei teilweise von den Drohnen selbst – von deren verbauten Sensoren und Kameras. Und durch die Vernetzte Infrastruktur und dem dazu passenden Drohnenkonzept sind Unternehmen wie Amazon, DHL, UPS und Mercedes Benz vielleicht in der Lage, den täglichen städtischen Verkehrsstau durch die KEP-Dienstleister zu reduzieren.

 

Drohnenexperte Thorsten Schmitt ist Blogger und Entwickler sowie Berater.Der Artikel ist in redaktioneller Zusammenarbeit mit Torsten Schmitt entstanden. Schmitt alias @Pixelaffe betitelt sich selbst als ‚Ge.rd‘ – Halb Geek, halb Nerd. Er ist als Entwickler, Projektmanager, Blogger und Berater tätig und seit 2015 ‚Chefpilot‘ bei Dronecamp. Nebenbei beschreibt er noch sein eigenes Blog Pixelaffe.

 

 

 

Zusätzliche Quellen:

Drohnenverordung Abbildung

Drohnenverordnung Übersicht

Amazon – diese fünf Patente können die Welt verändern

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Über TUP - Redaktion

TUP - Redaktion

Die Redaktion der DR. THOMAS + PARTNER GmbH & Co. KG hat die Plattform Logistik KNOWHOW ins Leben gerufen, administriert und koordiniert die Beiträge und erstellt selbst Inhalte zu verschiedenen Kategorien. Die Software-Manufaktur DR. THOMAS + PARTNER aus dem Raum Karlsruhe realisiert seit über 35 Jahren maßgeschneiderte Intralogistik-IT-Systeme, mit speziellem Fokus auf die Bereiche Lagerverwaltung und Materialfluss. Zu den namhaften Kunden zählen nationale und internationale Unternehmen unterschiedlicher Größe und Branche.

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