Mehr Sicherheit für Air Taxis, Drohnen und Hubschrauber

KI kann dabei unterstützen, Luftfahrzeuge in der Stadt sicherer und nachhaltiger zu betreiben. Das hat das Forschungsprojekt “Einflussreduzierte innerstädtische Lufttransport-Technologie" (EILT) der Hochschule München (HM) bewiesen. Im Fokus der Forschenden: kritische Windbedingungen im urbanen Raum.

Operieren in Bodennähe, bei jedem Wetter

Die Anforderungen sind komplex, trotzdem werden sie kurz- bis mittelfristig den städtischen Verkehr revolutionieren: Air Taxis oder eVTOLs (electric Vertical Take-Off and Landing) sind elektrisch betriebene, senkrecht startende Kleinflugzeuge, die als leise, schnelle Alternative im urbanen Verkehr oder für Kurzstrecken konzipiert sind und Passagiere künftig ohne Stau von A nach B transportieren können.

Diese operieren, ebenso wie Lieferdrohnen oder Rettungshubschrauber, im bodennahen Bereich von Städten, wo durch Verwirbelungen u.a. bei entsprechendem Wind mit heftigen Auf- und Abwinden sowie mit Turbulenzen zu rechnen ist.

Dies beeinflusst nicht nur den Flugkomfort und die Flugsicherheit, die erforderliche Steuerreaktion der Motoren führt zudem zu einem überhöhten Energieverbrauch und verringert so stark deren Reichweite bzw. verschlechtert die Nachhaltigkeit. Gefährdet sind hier insbesondere Luftfahrzeuge wie Lieferdrohnen oder Rettungshubschrauber, die überall landen können müssen – bei allen Wetterbedingungen.

Forschen für mehr Sicherheit und Nachhaltigkeit

Um dieser Problematik auf den Grund zu gehen, rief die Hochschule München das Forschungsprojekt „Einflussreduzierte innerstädtische Lufttransport-Technologie" (EILT) ins Leben. Dabei forschten Professorinnen und Professoren der HM über drei Jahre fakultätsübergreifend an innovativen Lösungen für mehr Sicherheit und Nachhaltigkeit von Luftfahrzeugen im urbanen Raum.

Beteiligt waren dabei die Fakultät für Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Flugzeugtechnik, die Fakultät für Informatik und Mathematik, die Fakultät für Design sowie die Firmen Reiser Simulation und f.u.n.k.e Avionics. Die Projektleitung lag bei Prof. Dr.-Ing. Alexander Knoll und Prof. Dr. Gudrun Socher.

Das Ziel: lokale Strömungsverhältnisse vorhersagen

Die Aufgabe war anspruchsvoll, denn: Die lokalen Strömungsverhältnisse in urbanen Bereichen sind eines der komplexesten und am wenigsten verstandenen Mikroklimata, zumal neben Windstärke und -richtung sowie Turbulenzgrad die gesamte Bebauung, die Vegetation und auch die Oberfläche der Gebäude, wie z.B. die Balkongestaltung, mit eingerechnet werden müssen. Veränderungen im Stadtbild wie Neubauten etc. verändern auch die Mikroklimata. Diese riesige Anzahl von Parametern kann nicht ausreichend in einem Modell dargestellt werden.

Trotzdem war das Ziel des Forschungsvorhabens, Methoden zu finden, mit denen die lokalen Strömungsverhältnisse aus bekannten großskaligen Messwerten, wie Windrichtung und Windgeschwindigkeit vorhergesagt werden können und damit sichere Flugwege für Lufttaxis, Lieferdrohnen oder Rettungshubschrauber unter den aktuellen Bedingungen ermittelt werden können.

Und so gingen die Forschenden vor:

Aus den Flugverläufen von Lufttaxis wurde bestimmt, wie die Windverhältnisse während des Flugs an allen abgeflogenen Punkten waren. Parallel dazu wurden die großflächigen Windbedingungen der gesamten Stadt (Windrichtung und -geschwindigkeit) festgehalten. Diese Werte wurden für möglichst viele Flüge aufgezeichnet.

Eine Künstliche Intelligenz ermittelte nach Eingabe der aktuellen großskaligen Windrichtung und -geschwindigkeit aus diesen Daten anschließend eine Vorhersage von Orten mit kritischen Windbedingungen. Daraus wurden bestmögliche Flugrouten ermittelt und an die Luftfahrzeuge übermittelt.

Untersucht wurde auch, wie diese Informationen bei bemannten Fluggeräten am besten vermittelt werden. Dies kann z.B. eine Darstellung geeigneter Bereiche für die Piloten sein oder aber eine entsprechende Darstellung für die Passagiere von autonom fliegenden Fluggeräten.

Zudem wurde so eine Möglichkeit geschaffen, zu bestimmen, wie ausgeprägt die Wind- und Turbulenzbedingungen ausfallen, für die Lufttaxis und Drohnen auszulegen sind.

Vom bemannten Hubschrauberflug bis zum neu entwickelten Flugsimulator

Das Forschungsvorhaben umfasste sowohl theoretische Anteile als auch Messflüge mit Drohnen und bemannten Hubschraubern, die dabei als Ersatz für Air Taxis verwendet wurden.

Zum Einsatz kamen außerdem ein neuartiger Flugsimulator, in den ein Windvorhersagesystem integriert wurde, VR-Brillen und Zusatzdisplays als Hilfestellung für pilotierte und autonome Fluggeräte.

„Nach drei Jahren Forschungsarbeit können wir feststellen, dass wir auf einem guten Weg sind, mehr Sicherheit und Nachhaltigkeit für Luftfahrzeuge im urbanen Raum zu erreichen.“, freut sich Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Alexander Knoll. „Unser Fazit ist, dass KI maßgeblich dabei unterstützen kann, schwer vorhersehbare Windverhältnisse vorherzusagen, sichere Flugrouten zu planen und Flüge effizienter zu machen.“

Josefine Hänsch / Sabine Galas

Weitere Informationen zum Forschungsprojekt EILT finden Sie hier