Drohnen in der Arbeitswelt

Das Jahr 2021 hat in den EU-Mitgliedstaaten für alle, die mit der Herstellung, Anwendung und der Steuerung/Pilotierung von Drohnen beschäftigt sind, große Veränderungen mit sich gebracht. Die EU-Verordnungen EU 947/2019 [7] und EU 945/2019 [8] vereinheitlichen den Drohnen-Luftverkehr und regeln den Betrieb von unbemannten Fluggeräten in Anlehnung an das Luftfahrtrecht. Drohnen werden nun in neue Kategorien eingeteilt, abhängig von den Risiken, die sie in der Luft und am Boden in Bezug auf mögliche Kollisionen mit Menschen, Gefahr für kritische Infrastruktur oder für andere Flugobjekte darstellen. Mit den EU-Verordnungen werden die zulässige Flughöhe und der einzuhaltende Abstand zu Menschen geändert, eine Registrierungspflicht festgeschrieben und neue Vorschriften für die Ausbildung von Drohnenpilotinnen und -piloten eingeführt. 

Laut EU-Verordnung, siehe [6] Abs. 18, wird der Begriff „Luftfahrzeug“ definiert als „jede Maschine, die sich in der Atmosphäre zufolge von Reaktionen der Luft, ausgenommen solchen gegen die Erdoberfläche, halten kann“. In der Verbindung mit Drohnen wird auch der Begriff „Unbemannte Luftfahrtsysteme“ (ULS) (engl.: Unmanned Aircraft System – UAS ) verwendet: Es handelt sich dabei um „unbemannte Fluggeräte einschließlich ihrer Kontrollstation, die nicht zu Zwecken des Sports oder der Freizeitgestaltung betrieben werden“ [1].

Outdoor-Drohnen: Änderungen beim Drohnenbetrieb

Schon am 1. Juli 2020 hätten neue EU-Verordnungen in Kraft treten sollen, die das Fliegen mit Drohnen in der EU einheitlich geregelt hätten. Der Start wurde aufgrund der Corona-Pandemie auf den 1. Januar 2021 verschoben. Übergangsregelungen bis 2022 und darüber hinaus stellen sicher, dass bereits gekaufte Drohnen weiterhin verwendet werden dürfen. Weitere Informationen zu den neuen Regeln und Übergangsbestimmungen findet man auf der Website der Austro Control unter dem Titel „Drone Space“ [9]. Austro Control hat auch eine gleichnamige App veröffentlicht, die Drohnenpilotinnen und -piloten zeigt, wo sie fliegen können und ob eine Bewilligung für Drohnen erforderlich ist.

Darüber hinaus wurden rechtliche Eckpunkte in folgenden Bereichen festgelegt:

• Registrierung der Betreiberinnen bzw. Betreiber in einer Datenbank samt Registrierungsnummer, die am Fluggerät anzubringen ist
• Geo-Sensibilisierung – Warnfunktion bei potenzieller Verletzung von Luftraumgrenzen
• Direkte Fernidentifikation mittels Luftfahrzeug-Positionsverfolgung
• Einsatz elektronischer Echtzeitkommunikation 
• Ausbildung bzw. Nachweis von Kenntnissen (Fernpilotin/Fernpilot) per Online-Test:
• Wer Drohnen über 250 g Gesamtgewicht pilotieren will, muss – zusätzlich zur Registrierung – einen Online-Lehrgang mit anschließender Online-Prüfung (40 Multiple-Choice-Fragen) absolvieren. Für Drohnen der Klasse C2 (mehr als 900 Gramm) ist überdies eine Theorieprüfung mit 30 Multiple-Choice-Fragen verpflichtend. Sowohl der Lehrgang als auch die Theorieprüfung können bei Austro Control absolviert werden. [9]
• Festlegung von „No-Drone-Zones“ durch die Mitgliedstaaten: Definition von Gebieten, in denen absolut keine Drohnen zugelassen werden (z. B. Flughäfen und deren Umgebung)

Der Betrieb von Drohnen wird in drei Kategorien eingeordnet: „open“, „specific“ oder „certified“. Parallel zur Festlegung der Betriebskategorien müssen Drohnen von der Herstellerin bzw. dem Hersteller mit einem CE-Kennzeichen in die Klassen C0 bis C4 eingeteilt werden, siehe Tab. 1. Die für den typischen Anwender von Drohnen infrage kommende Betriebskategorie „open“ wird weiter in drei Unterkategorien aufgeteilt: A1, A2 und A3. Für alle Flüge in der Kategorie „open“ muss ein ununterbrochener Sichtkontakt zum Fluggerät ohne technische Hilfsmittel gegeben sein. [9]

Neue Funktionen erleichtern die Bedienung

Moderne Drohnen verfügen über die sogenannte First-Person-View (FPV)-Funktion, wobei ein Video der auf der Drohne angebrachten Kamera direkt auf das Display des Controllers übertragen wird. Die Pilotin bzw. der Pilot kann so das Flugobjekt steuern, als ob sie bzw. er selbst mit der Drohne mitfliegen würde. Wenn das Video auf einer VR-Brille (Virtual-Reality-Brille) übertragen wird, spricht man von einem „Kameraflug“ oder einem „Immersionsflug“. Die Steuerung über eine VR-Brille gilt jedoch nicht als Sichtkontakt, daher wird in diesem Fall eine zweite Person (genannt „Spotter“) benötigt. Ein Spotter ist eine Person, die die Bewegungen des Piloten beobachtet, die Flugbahn oder bestimmte Objekte ständig im Auge behält und immer dann in die Steuerung eingreifen kann, wenn es zur Kontrolle und präzisen Flugbahnführung erforderlich ist. 

Voraussetzung zum sicheren Betrieb von unbemannten Luftfahrzeugsystemen ist die Qualifikation der Fernpilotin bzw. des Fernpiloten. Norm DIN 5452-2 [5] gilt für Flüge innerhalb und außerhalb der Sichtweite der Fernpilotin bzw. des Fernpiloten und mit dem Gewicht des unbemannten Luftfahrzeugs unter 25 kg.

Mit dem Begriff Geofencing bezeichnet man virtuelle Grenzen in einem geografischen Gebiet. Diese virtuelle Grenze kann mit einer Softwareanwendung gekoppelt werden. Mithilfe von GPS-, RFID-, WLAN- oder Mobilfunkdaten können verschiedene vorprogrammierte Funktionen ausgelöst werden. So werden beispielsweise virtuelle Sperrzonen um Flugverbotszonen eingerichtet, sodass die in Drohnen eingebaute Funktion mittels GPS-Ortung automatisch verhindert, dass das Luftfahrzeug abhebt oder in die Zone fliegt. Eine ähnliche Funktion haben virtuelle Sicherheitswände bei Industrierobotern, mobilen Robotern oder fahrerlosen Transportsystemen, die das Betreten bestimmter Räume verhindern. Bei den Indoor-Anwendungen sollen ähnliche virtuelle Wände Flugkorridore bestimmen und das Luftfahrzeug daran hindern, in bestimmte Sperrräume einzudringen.

Beispiele für Flugbetrieb im Außenbereich

Im Außenbereich haben sich Drohnen in einigen Branchen besonders gut etabliert, wie etwa:

• Tourismus und Immobilienverkauf nutzen interessante Perspektiven einer Luftaufnahme für Werbefilme. Eine weitere Anwendung ist es, Touristen über VR-Brille Kameraflüge z. B. durch eine Schlucht anzubieten.
• Baustellen (Gebäude, Brücken, usw.) können überwacht, kontrolliert und dokumentiert werden.
• Die Vermessung von unwegsamem Gelände ist möglich, um Karten zu erstellen, um Schneetiefen zu errechnen und um die Lawinengefahr besser einschätzen zu können.
• Die Inspektion von Anlagen und Gebäuden [3] ist mit Drohnen gefahrlos möglich.
• Im Katastrophenschutz bei Hochwasser, Erdbeben, Unwetter, Waldbrand, usw. helfen Drohnen, um aus der Luft die Lage und das Schadensausmaß einzuschätzen.
• In der Landwirtschaft werden Reifegrad und Schädlingsbefall der Anbauflächen kontrolliert.
• In der Forstwirtschaft kann aus der Luft Wald- und Wildzustand überwacht werden.
• Polizei und Feuerwehr nutzen Drohnen zur Unterstützung von Einsätzen. 

Es wird geschätzt, dass in ganz Österreich derzeit rund 100.000 Drohnen im Einsatz stehen. Die größte Gruppe sind Drohnen mit einem Gesamtgewicht von weniger als 250 g, und dies meist mit integrierter Kamera für Video- und Fotoaufnahmen. 

Lieferungen in unzugängliche Gebiete 

International setzt man Drohnen mit Flügeln beispielsweise in vielen afrikanischen Ländern (Ghana, Nigeria, Kamerun …) für den Transport von Medikamenten aus einem Verteilerzentrum zu den Spitälern ein. Aufgrund der Tatsache, dass die Verkehrswege in diesen Ländern häufig nicht gut ausgebaut sind, ist die Lieferung von dringend benötigten Waren in entlegene Regionen mit unbemannten Luftfahrzeugen besonders effektiv. Da ein voll beladenes Luftfahrzeug viel Energie braucht, um zu starten und die Flughöhe zu erreichen, werden fix installierte und an die Stromleitung angeschlossene Abschussrampen genutzt. Die Ladung wird anhand der GPS-Koordinaten automatisch über der Lieferadresse abgeworfen und die Drohne fliegt ohne Zwischenlandung zurück zum Startpunkt. Anstelle einer Landebahn kann eine Drohne sehr effizient über Fangnetze eingefangen werden. Die Drohne wird von zwei kleinen Propellern elektrisch angetrieben und hat eine Reichweite von 160 Kilometern. Ebenfalls für schlecht erreichbare, abgelegene Orte, Inseln oder wenig besiedelte Bergregionen ist der Einsatz von solchen Drohnen-Systemen für eine Traglast bis 1,8 kg und insbesondere für Notfälle sinnvoll.

Drohnenabwehr im Außenbereich

Obwohl die Sperrgebiete um Flughäfen bekannt sind, kommt es dennoch immer wieder vor, dass Drohnen ohne Genehmigung in diese Gebiete einfliegen und den Flugbetrieb stören. Drohnen zu stoppen, zu stören oder abzuschießen ist ein neuer Wirtschaftszweig geworden, der sich auf Drohnenerkennung und Drohnenabwehr spezialisiert. Es gibt inzwischen verschiedene Ansätze zur Drohnenabwehr. Einer davon ist es, Störsender auf Drohnen zu richten. Diese verhindern die Kommunikation zwischen der Drohne und ihrem Piloten am Boden oder stören die Verbindungen zu Navigationssatelliten und zwingen so das Luftfahrzeug zur Landung. Diese Signalunterdrückung, auch als „Jamming“ bezeichnet, wird dazu verwendet, unerwünschte Flugobjekte zu desorientieren. Theoretisch ist es auch möglich, sowohl manuelle als auch automatische Indoor-Multikopter-Systeme auf diese Weise von außen zu stören bzw. auch Multikopter zum Absturz zu bringen. Derartige Angriffe können durch Benutzung von bestimmten Richtantennen mit einer speziellen Richtcharakteristik minimiert werden. Durch das sogenannte GPS-Spoofing, bei dem der Drohne ein falsches GPS-Signal vorgespielt wird, ist es möglich, die Drohne vom Kurs abzubringen oder sie sogar zum Absturz zu bringen. So soll eine US-amerikanische Aufklärungsdrohne durch vorgegaukelte Signale über iranischem Luftraum „entführt“ worden sein. Im militärischen Bereich wird zur Drohnenabwehr das Hightech-Radar eingesetzt, womit anfliegende Drohnen bereits auf mehrere Kilometer Entfernung erkannt werden können. In Kombination mit einem Lasersystem können die Drohnen abgeschossen werden. Das schultergestützte Abwehrsystem schießt ein Netz ab, das sich um eine herannahende Drohne wickelt und diese zum Absturz bringt. Die Reichweite des durch Luftdruck abgefeuerten Netzgeschosses ist jedoch eher gering.

Indoor-Drohnen – Multikopter

„Multikopter ist Sammelbegriff für alle Kopterarten (Bicopter, Tricopter, Quadrocopter oder Quadcopter, Hexacopter, Oktocopter usw.) mit mehr als einem Rotor (Propeller), die auf einer oder mehreren Ebenen angeordnet sind.“ [1]. D. h., Multikopter sind Drohnen mit Propeller, die für den gewerblichen und den privaten Gebrauch genutzt werden. Multikopter werden bereits nicht nur im Freien, sondern auch in Hallen eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete für Multikopter-Systeme werden derzeit europaweit im Rahmen von vielversprechenden Forschungsprojekten erforscht. Die DGUV (Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e.V.) hat Tipps für den Einsatz von Multikoptern [1] sowie ein Regelwerk für den sicheren Umgang mit Indoor-Multikoptern [2] bis 25 kg Gesamtgewicht veröffentlicht. Bis zur Fertigstellung einer EN-Norm für den Einsatz von Multikoptern in Hallen aufgrund der EU-Maschinenrichtlinien stellen die DGUV-Informationen den derzeitigen Stand der Technik dar.

Aufgrund der Maschinenrichtlinien und dem Stand der Technik wird folgende Definition abgeleitet: „Automatisierte Arbeitsabläufe, bei denen rechnergesteuert autonome Multikopterflüge realisiert werden, fallen in das Anwendungsfeld der kollaborierenden Roboter“ [2]. Mit der Zuordnung des Multikopters zum Roboter können bei der Entwicklung von Multikoptern und der Auslegung von Multikopter-Systemen die Sicherheitsnormen EN ISO 10218-1/2 [12] herangezogen werden. Ist eine Mensch-Multikopter-Kollaboration geplant, können Kollisionsstellen auf Basis der biomechanischen Grenzwerte in der technischen Spezifikation EN ISO/TS 15066 [13] ausgelegt werden. Ähnlich wie im Außenbereich virtuelle Sperrzonen um Flugverbotszonen eingerichtet werden, sollen bei den Indoor-Anwendungen ähnliche virtuelle Wände Flugkorridore bestimmen und das Luftfahrzeug daran hindern, in bestimmte Sperrräume einzudringen. Eine ähnliche Sicherheitsfunktion haben virtuelle Sicherheitswände bei Industrierobotern und mobilen Robotern, die das Betreten bestimmter Räume verhindern. Indoor-Multikopter sind mit etwas anderen Sensoren ausgestattet als Outdoor-Multikopter und haben unterschiedliche Navigationssysteme integriert. Eine Möglichkeit ist es, Indoor-GPS in den Hallen einzurichten, was aber eine sehr kostenintensive Lösung ist. Alternativ kann die Navigation über 3-D-Mapping bzw. mittels Orientierung über Marker auf dem Boden oder auf der Decke realisiert werden.

Es ist theoretisch möglich, die Kommunikation zwischen Multikopter und Basisstation von außen durch Signalunterdrückung, „Jamming“, zu stören und letztlich auch Multikopter zum Absturz zu bringen. Gleichermaßen betroffen sind die beiden Betriebsarten manuelle Multikopter-Flugführung und automatische Indoor-Multikopter-Systeme. Navigationssysteme über 3D-Mapping und Marker können durch „Jamming“ nicht beeinträchtigt werden, solange die Signalverarbeitung vollständig von der Multikopter-Steuerung übernommen wird. Im Gegenzug könnte die Auslagerung von z. B. der Bildverarbeitung an die rechenstarke Basisstation gestört werden. Indoor-Multikopter werden bereits heute für die Inventur in Hochregallagern, Inspektion von Silos und Rohrleitungen, Produktionsüberwachung usw. eingesetzt. Die Robustheit von Multikoptern erfüllt jedoch noch nicht alle Sicherheitsanforderungen an einen vollautomatischen industriellen Betrieb. In Forschungsprojekten werden derzeit verschiedene Navigationssysteme, der Einsatz externer Sensoren und die Verwendung leistungsfähiger externer Rechner untersucht, um die Sicherheit von Multikopter-Systemen zu erhöhen.

Wie ein solches Indoor-System unter Einhaltung von Sicherheitsmaßnahmen realisiert werden könnte, zeigt das Beispiel am Bild 1. Flugkorridore werden durch einen Sicherheitszaun oder ein Sicherheitsnetz abgegrenzt, um zu verhindern, dass Multikopter oder herabfallende Teile in die Arbeitsbereiche der Arbeitnehmer bzw. Arbeitnehmerinnen fliegen können. In solchen Systemen müssen die Schnittstellen zwischen Mensch und Multikopter sicher gestaltet werden, wie z. B. die Station „Abgabe Werkstück“, Bild 1, Pos. 4. und Start-/Landeplatz Bild 1, Pos. 5. Die Systemintegratorin bzw. der Systemintegrator oder die Anwenderin bzw. der Anwender führt eine entsprechende Risikobeurteilung und die damit verbundene Risikominderung gemäß der Maschinenrichtlinie durch.

Forschung und Entwicklung von Multikoptern für innerbetriebliche Lieferungen

In produzierenden Unternehmen, beim Indoor-Einsatz von Drohnen und in manuellem Betrieb ist der Arbeitsplatz einer Pilotin bzw. eines Piloten besonders stark gefährdet. Durch den ständigen Blick in Richtung Luftfahrzeug ist die Stolpergefahr besonders hoch. Es ist daher notwendig, den Weg für die Pilotin bzw. den Piloten im Vorfeld zu planen und frei von Hindernissen, rutschigen Flächen und anderen Gefahren zu halten. Bei manueller Führung des Multikopters muss der Pilotin bzw. dem Piloten ein Spotter beigestellt werden. Derzeit laufen mehrere Pilotprojekte, die zeigen sollen, wie Multikopter in Produktionsprozesse integriert werden können. So werden beispielsweise bei ZF in Friedrichshafen [10] Werkstücke per Multikopter von einer Halle zur anderen transportiert. Auf diese Weise wird der Bodenverkehr entlastet. Um die Genehmigung zur Durchführung eines solchen Pilotprojekts zu erhalten, wurden umfangreiche Sicherheitsvorkehrungen getroffen, wie z. B. die Einrichtung von Notlandeplätzen, die Abdeckung von Fußgängerbereichen unter dem Flugkorridor, die Ausstattung der Drohne mit einem zweiten Akku, die Möglichkeit einer Notlandung bei bis zu zwei gleichzeitigen Rotorausfällen oder auch die Bereitstellung einer Person zur ständigen Überwachung des Flugverkehrs. [11]

Bild 2 zeigt ein Drohnensystem, an dem derzeit mehrere Forschungsprojekte mit dem Ziel durchgeführt werden, Drohnen vom Inneren einer Halle zu einer anderen Halle fliegen zu lassen. Die große Herausforderung besteht darin, mit den unterschiedlichen Wetterbedingungen, dem Mikroklima innerhalb und außerhalb der Halle zurechtzukommen, sichere Ein- und Ausgänge für Drohnen zu schaffen und sichere Schnittstellen zum Menschen bzw. Kollaborations-Arbeitsplätze zu gestalten. Derzeit ist für die Flüge außerhalb der Hallen zusätzlich die Erstellung der Risikobeurteilung nach dem Luftfahrtgesetz und die Beantragung einer Genehmigung bei der zuständigen Stelle, in Österreich von Austro Control, erforderlich.

Ausblick

Es ist zu erwarten, dass bald auch autonome Luftfahrzeuge für den Transport von Gütern, Passagieren (Lufttaxi) oder aber auch große Passagier-Flugzeuge ohne Pilotinnen oder Piloten unseren Luftraum erobern werden. Ein autonomes Luftfahrzeug wird definiert als „unbemanntes Luftfahrzeug, welches keinen Eingriff des Piloten in die Flugdurchführung erlaubt“ [4]. EU-Richtlinien weisen zudem darauf hin, dass das derzeit erreichte Sicherheitslevel in der Luftfahrtindustrie nicht verschlechtert werden darf. Sobald die notwendige Robustheit und geforderte Sicherheit der Drohnen erreicht wird, können Güter direkt vom Firmengelände oder aus der Produktionshalle an die Kundinnen bzw. die Kunden geliefert werden.

LITERATUR:

• [1] DGUV 2019. „Einsatz von Multikoptern (Drohnen) – Grundlagen und Tipps für die sichere Verwendung“, Fachbereich Aktuell, FBHL-014
• [2] DGUV 2020. „Sicherer Umgang mit Multikoptern (Drohnen)“, DGUV Information 208-058, Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e.V. (DGUV)
• [3]  VDI 2879: 2017 05, „Instandhaltung – Inspektion von Anlagen und Gebäuden mit UAV (Flug-Drohne)“
• [4]  DIN 5452-1:2018-03, „Luft- und Raumfahrt – Unbemannte Luftfahrzeugsysteme (UAS) – Teil 1: Begriffe“
• [5]  DIN 5452-2:2019-10, „Luft- und Raumfahrt – Unbemannte Luftfahrzeugsysteme (UAS) – Teil 2: Anforderungen an Fernpiloten“
• [6]  EU-Verordnung 923/2012 zur Festlegung gemeinsamer Luftverkehrsregeln und Betriebsvorschriften für Dienste und Verfahren der Flugsicherung
• [7]  EU-Verordnung 2019/947 vom 24. Mai 2019 über die Vorschriften und Verfahren für den Betrieb unbemannter Luftfahrzeuge
• [8]  EU-Verordnung 2019/945 vom 12. März 2019 über unbemannte Luftfahrzeugsysteme und Drittlandbetreiber unbemannter Luftfahrzeugsysteme
• [9]  Austro Control 2020. Drone Space, online: https://dronespace.at/, Austro Control Österreichische Gesellschaft für Zivilluftfahrt mit beschränkter Haftung
• [10]  ZF (2019). „ZF lässt automatisierte Drohne im Werkverkehr in Friedrichshafen fliegen“, online: https://press.zf.com/site/press/de_de/microsites/press/list/release/release_49219.html, Zugriff am 13. 2. 2019
• [11]  Malisa, V. 2019. „Digitalisierung der Produktion führt zu den komplexen Maßnahmen in der Prävention“, 50th Nordic Ergonomics and Human Factors Society Conference 2019, Elsinore, Denmark, 25.–28. August 2019
• [12]  EN ISO 10218-1/-2 (2012). „Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen Teil 1: Roboter, Teil 2: Robotersysteme und Integration“
• [13]  EN ISO/TS 15066 (2017). „Roboter und Robotikgeräte – Kollaborierende Roboter“

Online-Konferenz: Drohnen und deren Einsatz in der Arbeitswelt

In der Arbeitswelt eignen sich Drohnen für zahlreiche Anwendungen, sowohl im Indoor- als auch im Outdoor-Bereich. Möchte ein Unternehmen Drohnen einsetzen, muss es neben den technischen Anforderungen auch die rechtlichen Regelungen berücksichtigen. Mit der EU-Verordnung (EU) 2019/947 sind Vorschriften und Verfahren für den Betrieb unbemannter Luftfahrzeuge EU-weit einheitlich geregelt worden.

Aus diesem Anlass findet am 30. Juni 2021 von 9 bis 16 Uhr eine gemeinsame Online-Konferenz der Unfallversicherungsträger AUVA, Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e.V. (DGUV) und Schweizerische Unfallversicherungsanstalt (SUVA) mit dem Titel „Drohnen und deren Einsatz in der Arbeitswelt“ statt. Ziel der Veranstaltung ist es, die in Unternehmen mit dem (geplanten) Einsatz von Drohnen befassten Personen, von Sicherheitsfachkräften über Projektleiterinnen und -leiter bis zum Management, über den aktuellen Stand zu informieren.

Die Online-Konferenz widmet sich unterschiedlichen Aspekten des Themas. Dazu zählen Registrierung und Bewilligung, Ausbildung für Drohnenpilotinnen und -piloten, Arten von Drohnen (Multikoptern), bereits bewährte innerbetriebliche Lösungen sowie erforderliche Sicherheitsmaßnahmen. Expertinnen und Experten, die den Einsatz von Drohnen für verschiedene Anwendungen begleiten und erforschen, sprechen in Vorträgen über die von ihnen gesammelten Erfahrungen und beantworten Fragen der Teilnehmenden.

Anmeldung unter: 

https://www.bigmarker.com/auva/Drohnen-Multikopter

Rosemarie Pexa

Zusammenfassung

Der Autor fasst die wichtigsten gesetzlichen Änderungen durch die neuen ab 1. Jänner 2021 geltenden EU-Verordnungen bei Herstellung, Anwendung und Steuerung von Drohnen zusammen und gibt einen Überblick über mögliche professionelle Anwendungen von unbemannten Luftverkehrssystemen outdoor und indoor.