Onbemand luchtvaartsysteem: hoe drones zelfstandig leren vliegen
Een onbemand luchtvaartsysteem (in het Engels: unmanned aerial system, afgekort UAS) is een verzamelnaam voor een vliegtuig zonder piloot aan boord, samen met alles wat nodig is om dat toestel veilig te laten vliegen. Het woord systeem is daarbij het belangrijkste onderdeel: het gaat niet alleen om het vliegende toestel zelf, dat de meeste mensen gewoon 'drone' noemen, maar ook om het grondstation waarmee iemand het toestel bestuurt, de radioverbinding daartussen en vaak sensoren, camera's of lading aan boord.
Een simpel voorbeeld maakt het concreet. Wie met een speelgoeddrone en een afstandsbediening door de achtertuin vliegt, gebruikt eigenlijk al een basaal UAS: het toestel, de bediening en het signaal daartussen vormen samen het systeem. Bij professionele toepassingen wordt dat al snel veel complexer: een drone die zelfstandig een route langs windmolens vliegt om scheuren te fotograferen, of een toestel dat een pakketje aflevert zonder dat iemand op dat moment de sturing in handen heeft, zijn ook onbemande luchtvaartsystemen, maar dan met veel meer techniek erachter.
Wat is het precies?
Een UAS bestaat grofweg uit vier onderdelen. Ten eerste het luchtvaartuig zelf: dat kan een multicopter zijn (met meerdere rotorbladen, zoals de bekende quadcopter met vier propellers), een vleugelvormig toestel dat meer lijkt op een klein vliegtuig, of een hybride vorm die beide combineert.
Ten tweede is er het grondstation, ook wel ground control station genoemd: de bediening, laptop of app van waaruit een operator het toestel aanstuurt of de vlucht voorbereidt. Ten derde de datalink, de radioverbinding tussen toestel en grondstation. Die verbinding bestaat vaak uit twee delen: een kanaal voor besturingscommando's, in de sector 'command and control' of C2 genoemd, en een kanaal waarover het toestel gegevens terugstuurt, zoals videobeeld of positiegegevens.
Ten vierde bevat elk serieus toestel een autopiloot: een klein computertje aan boord dat continu gegevens verwerkt van een gps-ontvanger en een inertial measurement unit, kortweg IMU. Zo'n IMU is een chip met sensoren die versnelling en rotatie meten, waardoor het toestel weet hoe het hangt in de lucht en hoe het beweegt, ook zonder gps-signaal.
Hoeveel de mens nog doet, verschilt sterk per toestel. Aan het ene uiterste staat een drone die volledig met de hand wordt bestuurd, alsof je een op afstand bestuurbare auto vliegend maakt. Aan het andere uiterste staat een toestel dat vooraf geprogrammeerde routepunten, waypoints genoemd, zelfstandig aflegt en alleen door een operator in de gaten wordt gehouden. Een belangrijk juridisch begrip hierbij is BVLOS, van 'beyond visual line of sight': vliegen buiten het rechtstreekse gezichtsveld van de piloot. Dat is technisch vaak al mogelijk, maar wettelijk sterk aan banden gelegd, omdat de piloot dan niet meer zelf kan zien of er bijvoorbeeld een ander vliegtuig nadert.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van onbemande luchtvaart is dat taken die voor mensen duur, gevaarlijk of simpelweg saai zijn, goedkoper en veiliger uitgevoerd kunnen worden. Een inspecteur die een olieplatform, hoogspanningsmast of brug wil controleren, hoeft daarvoor niet meer zelf de hoogte in; een drone met camera doet dat sneller en zonder valrisico.
In de landbouw worden drones gebruikt om gewassen in kaart te brengen en ziektes vroeg te signaleren, wat efficiënter bemesten en besproeien mogelijk maakt. In de logistiek hoopt men met bezorgdrones pakketten of medische goederen sneller te leveren dan met een bestelbus, vooral in gebieden met slechte wegen. Bij rampen en zoekacties kunnen drones gebieden verkennen die voor reddingswerkers te gevaarlijk of te moeilijk bereikbaar zijn.
Daarnaast is er een omvangrijke militaire toepassing: verkenning, doelopsporing en in sommige gevallen gewapende inzet, zonder dat een piloot fysiek risico loopt. Dat maakt onbemande luchtvaart ook een onderwerp van internationaal debat over de regels van oorlogvoering en de mate van menselijke controle die vereist zou moeten blijven bij het gebruik van wapens.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Amerikaanse bedrijf Zipline bezorgt sinds 2016 bloed en medicijnen met vleugelvormige drones in Rwanda, en breidde de dienst later uit naar onder meer Ghana. De toestellen vliegen automatisch een route en laten de lading met een parachute vallen bij ziekenhuizen die anders moeilijk snel te bereiken zijn.
Wing, een dochterbedrijf van Google-moederbedrijf Alphabet, begon in 2019 met commerciële pakketbezorging per drone in de Australische plaats Logan, en breidde dat later uit naar delen van de Verenigde Staten en Ierland. Klanten bestellen via een app en de drone laat het pakket op een lijn zakken boven de tuin.
Amazon Prime Air startte eind 2022 met dronebezorging in College Station, Texas, en Tolleson, Arizona, na jarenlange tests. Het programma groeide langzamer dan aangekondigd en Amazon heeft de opzet sindsdien meermaals bijgesteld, wat laat zien dat een technisch werkend systeem nog geen garantie is voor snelle, grootschalige uitrol.
In de militaire sector is de MQ-9 Reaper van fabrikant General Atomics een van de bekendste voorbeelden: dit onbemande vliegtuig is sinds ongeveer 2007 in gebruik bij de Amerikaanse luchtmacht voor langdurige verkenningsvluchten en, in bepaalde inzetten, gewapende missies.
Het Chinese bedrijf EHang ontwikkelde met de EH216-S een onbemand toestel dat is ontworpen om mensen te vervoeren zonder piloot aan boord. Dit voorbeeld schuift op naar wat vaak 'geavanceerde luchtmobiliteit' wordt genoemd, maar toont hoe ver de automatisering van luchtvaart inmiddels kan gaan.
Hoe ver is de techniek?
Eenvoudige, met de hand bestuurde drones zijn technisch volwassen en overal verkrijgbaar, van speelgoedwinkel tot professionele inspectiebedrijven. De grootste uitdaging zit tegenwoordig minder in de vliegtechniek zelf en meer in wat er nodig is om drones veilig en op grote schaal zelfstandig te laten vliegen tussen ander luchtverkeer en boven bewoond gebied.
Vliegen buiten het gezichtsveld van de piloot, BVLOS, blijft in de meeste landen sterk gereguleerd, juist omdat automatische systemen om obstakels en ander luchtverkeer te detecteren en te ontwijken, detect-and-avoid genoemd, nog volop in ontwikkeling zijn. In Europa werkt men aan een raamwerk genaamd U-space: regelgeving en digitale diensten om droneverkeer op lage hoogte te ordenen, ongeveer zoals luchtverkeersleiding dat voor bemande vliegtuigen doet. In de Verenigde Staten wordt aan een vergelijkbaar concept gewerkt, UAS Traffic Management (UTM), mede ontwikkeld door ruimtevaartorganisatie NASA.
Praktische beperkingen spelen ook mee: de actieradius van elektrische drones is beperkt door batterijcapaciteit, en wind, regen en extreme temperaturen kunnen vluchten onmogelijk maken. Bezorgprogramma's die al jaren lopen, zoals die van Amazon en Wing, laten zien dat de techniek werkt, maar dat opschalen naar duizenden vluchten per dag in dichtbevolkte gebieden nog geen vanzelfsprekendheid is. Bij militaire toepassingen is de techniek juist verder uitontwikkeld en operationeel bewezen, al blijft er discussie over hoeveel autonomie wenselijk is bij het gebruik van wapens.
Wie werken eraan?
Op de markt voor consumenten- en bedrijfsdrones is het Chinese DJI al jaren veruit de grootste speler wereldwijd. Andere bedrijven zoals het Franse Parrot en het Amerikaanse Skydio richten zich op nichemarkten en, in het geval van Skydio, nadrukkelijk op productie buiten China vanwege veiligheidszorgen bij westerse overheden.
Op het gebied van bezorgdrones zijn Wing (Alphabet), Amazon Prime Air, Zipline en het Duitse Wingcopter de bekendste namen. In de militaire sector domineren gevestigde defensiebedrijven zoals General Atomics (maker van de Reaper) en Northrop Grumman.
Op regelgevend vlak bepaalt in Europa het EASA (European Union Aviation Safety Agency) de veiligheidsregels voor drones, terwijl in de Verenigde Staten de FAA (Federal Aviation Administration) die rol vervult. Wereldwijd probeert ICAO, een gespecialiseerde organisatie van de Verenigde Naties, standaarden te harmoniseren tussen landen. In Nederland houdt de Inspectie Leefomgeving en Transport (ILT) toezicht op de naleving van de Europese droneregels.