Autonome vliegtechnologie: hoe vliegtuigen en drones zelf leren beslissen
Autonome vliegtechnologie verwijst naar vliegtuigen, drones en andere luchtvaartuigen die zelfstandig kunnen navigeren, beslissingen nemen en taken uitvoeren zonder dat een piloot voortdurend de besturing overneemt. Vergelijk het met het verschil tussen cruise control in een auto en een zelfrijdende auto: cruise control houdt alleen de snelheid constant, terwijl een zelfrijdend systeem zelf stuurt, remt en obstakels herkent. Bij autonome vliegtuigen en drones gaat het om diezelfde sprong, van een systeem dat de piloot ondersteunt naar een systeem dat zelf een vlucht kan plannen, uitvoeren en aanpassen aan onverwachte omstandigheden.
Het onderwerp duikt steeds vaker op in het nieuws, van pakketbezorging per drone tot elektrische 'luchttaxi's' die ooit zonder piloot passagiers zouden moeten vervoeren. Er bestaat echter niet één vorm van autonomie. Sommige systemen vliegen volledig zelfstandig een vooraf bepaalde route, terwijl andere alleen ingrijpen bij noodsituaties en verder door een mens op afstand worden gevolgd. Dat onderscheid is belangrijk om te begrijpen wat er in de praktijk al kan en wat nog toekomstmuziek is.
Wat is het precies?
Autonome vliegtechnologie bestaat uit een aantal lagen die samen bepalen hoe zelfstandig een toestel kan opereren.
De eerste laag is waarnemen. Het toestel gebruikt sensoren zoals camera's, radar, lidar (een soort laserradar die met lichtpulsen afstanden meet) en gps om te bepalen waar het zich bevindt en wat er om hem heen gebeurt. Een inertiemeetsysteem, kortweg IMU, meet versnellingen en rotaties, zodat het toestel ook zonder gps-signaal weet hoe het beweegt.
De tweede laag is interpreteren. Software verwerkt alle sensordata tot een bruikbaar beeld van de omgeving: waar bevinden zich obstakels, ander luchtverkeer, gebouwen of slecht weer? Hiervoor wordt steeds vaker machine learning ingezet, een vorm van kunstmatige intelligentie waarbij een computer patronen leert herkennen uit grote hoeveelheden voorbeelddata, bijvoorbeeld om een vogel te onderscheiden van een andere drone.
De derde laag is beslissen. Op basis van die interpretatie bepaalt het systeem wat het gaat doen: doorvliegen, uitwijken, hoogte aanpassen of een noodlanding inzetten. Dit heet ook wel sense-and-avoid (waarnemen-en-ontwijken), de luchtvaartvariant van de manier waarop een zelfrijdende auto een voetganger ontwijkt.
De vierde laag is uitvoeren. De besturingscomputer stuurt motoren, kleppen en roeren aan om de gekozen actie daadwerkelijk uit te voeren.
Autonomie is geen alles-of-niets-begrip. Net als bij zelfrijdende auto's wordt vaak een schaal gebruikt van niveau 0 (volledig handmatig) tot niveau 5 (volledig zelfstandig, geen mens nodig). De meeste operationele systemen zitten daartussenin: ze vliegen zelfstandig, maar een menselijke operator kan op afstand ingrijpen of moet toestemming geven voor kritieke fases zoals opstijgen of landen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter autonome vliegtechnologie is kostenbesparing en schaalbaarheid. Een piloot is duur, beperkt inzetbaar door vermoeidheid en wettelijke rusttijden, en wereldwijd is er een tekort aan gekwalificeerd personeel. Als een systeem zelfstandig kan vliegen, kan één operator in theorie meerdere toestellen tegelijk bewaken in plaats van er zelf een te besturen.
Daarnaast speelt veiligheid een rol. Voorstanders wijzen erop dat het grootste deel van luchtvaartongelukken te herleiden is naar menselijke fouten, zoals vermoeidheid of verkeerde inschattingen. Een goed ontworpen automatisch systeem maakt in theorie consistentere beslissingen, al brengt het ook nieuwe risico's met zich mee, zoals software die faalt in situaties waarop ze niet is getraind.
Autonome techniek maakt bovendien toepassingen mogelijk die met bemande vluchten onpraktisch of te gevaarlijk zijn: het bezorgen van pakketten of medicijnen in afgelegen gebieden, langdurige bewaking van kustlijnen of gewassen, en inspectie van moeilijk bereikbare infrastructuur zoals windmolens of pijpleidingen. Tot slot hopen bedrijven met elektrische, autonome luchttaxi's een nieuwe vorm van stedelijk vervoer te creëren die het fileprobleem moet omzeilen.
Voorbeelden uit de praktijk
Zipline begon in 2016 in Rwanda met het bezorgen van bloed en medicijnen per autonome drone aan ziekenhuizen in afgelegen gebieden. De drones vliegen vooraf geprogrammeerde routes en laten hun lading via een parachute vallen. Het bedrijf breidde later uit naar onder meer Ghana en delen van de Verenigde Staten.
Wing, een dochterbedrijf van Google-moederbedrijf Alphabet, testte vanaf 2019 pakketbezorging per drone in de Australische stad Logan en breidde dit later uit naar delen van de Verenigde Staten. De drones vliegen autonoom, maar worden op afstand gemonitord door operators die kunnen ingrijpen.
Skydio, een Amerikaans bedrijf, ontwikkelt drones die zelfstandig obstakels ontwijken met behulp van meerdere camera's en computer vision. Ze worden onder meer gebruikt door Amerikaanse hulpdiensten en overheidsinstanties voor inspectie en verkenning, zonder dat een piloot continu de besturing hoeft over te nemen.
EHang, een Chinees bedrijf, ontwikkelde de EH216, een elektrische, volledig autonome luchttaxi voor twee personen zonder piloot aan boord. In oktober 2023 kreeg het toestel een typecertificaat van de Chinese luchtvaartautoriteit CAAC, een belangrijke stap richting commerciële passagiersvluchten, al blijft het aantal vluchten voorlopig beperkt tot gecontroleerde demonstraties en toeristische ritten.
Wingcopter, een Duits bedrijf, ontwikkelt drones die verticaal kunnen opstijgen en vervolgens als een vliegtuig doorvliegen. Ze worden onder meer ingezet voor medicijnbezorging in Vanuatu en Ierland, in samenwerking met lokale gezondheidsorganisaties en UNICEF.
Hoe ver is de techniek?
De techniek staat er wisselend voor, afhankelijk van de toepassing. Kleinschalige bezorgdrones zoals die van Zipline en Wing vliegen al jaren op grote schaal autonoom, maar dat gebeurt in relatief eenvoudig, goed gecontroleerd luchtruim met weinig ander verkeer.
Voor grotere en complexere toestellen, zoals elektrische luchttaxi's, ligt het tempo lager. Bedrijven als Joby Aviation en Archer Aviation testen momenteel toestellen die nog een piloot aan boord hebben; volledige autonomie wordt gezien als een stap voor de langere termijn, ruim na de eerste commerciële, bemande vluchten die de bedrijven zelf rond 2025-2026 voorzien, al zijn dergelijke planningen in de luchtvaart vaker uitgesteld dan gehaald.
Een belangrijk obstakel is regelgeving. Vluchten waarbij de operator het toestel niet meer met het blote oog kan zien, de zogeheten BVLOS-vluchten (Beyond Visual Line of Sight), zijn in de meeste landen nog sterk aan banden gelegd. Toezichthouders zoals de Amerikaanse FAA en de Europese EASA werken aan nieuwe regels, maar willen eerst zekerheid over veiligheid voordat drones en vliegtuigen zonder voortdurend menselijk toezicht door druk bevolkt luchtruim mogen vliegen.
Ook technisch zijn er nog grenzen. Sense-and-avoid-systemen presteren goed in voorspelbare omstandigheden, maar hebben nog moeite met slecht weer, onverwachte objecten of storingen in gps-signalen. Daarnaast blijft de energiedichtheid van batterijen een beperkende factor voor de actieradius van elektrische toestellen. De meeste deskundigen verwachten daarom een geleidelijke uitbreiding van autonomie, waarbij menselijk toezicht op afstand voorlopig de norm blijft in plaats van volledig onbemande operaties.
Wie werken eraan?
Naast de eerder genoemde bedrijven zoals Zipline, Wing, Skydio, EHang en Wingcopter investeren ook gevestigde luchtvaartgiganten in autonome technologie. Airbus onderzocht met het inmiddels afgeronde Vahana-project autonome eVTOL-toestellen (elektrische toestellen die verticaal kunnen opstijgen en landen) en werkt via zijn onderzoekstak Airbus UpNext verder aan automatiseringstechnologie voor bestaande vliegtuigen. Boeing doet vergelijkbaar onderzoek, onder meer naar autonome vrachttoestellen.
Op het gebied van luchtverkeersmanagement voor drones werkt de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA samen met de FAA aan UTM (UAS Traffic Management), een systeem dat autonome drones veilig door druk luchtruim moet kunnen leiden.
In Nederland doet TU Delft onderzoek naar drone-navigatie en zwermgedrag van drones, en werkt het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR) aan veiligheidsvraagstukken rond onbemande luchtvaart. Op regelgevend vlak zijn de Europese EASA en de internationale burgerluchtvaartorganisatie ICAO de belangrijkste instanties die kaders opstellen waarbinnen autonome vluchten mogen plaatsvinden.