Geofencing im Bereich des autonomen Fliegens


Hausarbeit, 2018

14 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen des Geofencing
2.1 Funktionsweise imd Systembeschreibung
2.2 Vorteile durch die Verwendung von Geofences
2.3 Elemente und deren Entwicklungsstand
2.4 Techniken des Geofencing
2.4.1 Area
2.4.2 Point of Interest
2.4.3 Wegpunkte und Routen
2.5 Besonderheiten beim autonomen Fliegen

3 Konfliktpunkte

4 Lösungsansätze

5 Zusammenfassung und Fazit

Literatur- & Quellenverzeichnis

Niklas Hurtig

Geofencing im Bereich des autonomen Fliegens 1

Geofencing im Bereich des autonomen Fliegens

Niklas Hurtig[1]

Abstract: Mit Geofencing kőimen durch die Programmierung von emer Software Grenzen bzw. Bereiche erstellt werden, die eme Fernüberwachung von geografischen Gebieten ermöglicht. Dies wird hl verschieden Bereichen, wie des autonomen Fliegens, Mobilfunk oder Mobilitäts-Sharing eingesetzt, um bestimmte Regeln bei geografischen Indikatoren von mobilen Objekten hl den Anwendungen nutzen zu kőimen.

Keywords: Geofencing, Autonome Mobile Systeme, Drohnen, Flugverbotszonen, Carsharmg

1 Einleitung

Der Begriff Geofencing kommt ursprünglich aus dem Englischen, wird so aber auch ins deutsche übertragen. Wörtlich übersetzt heißt es einzäunen.[2] [3] Die Technologie des Geofencing basiert auf der Ortung mittels GPS י bzw. Satellitenortimg und Telematik. Es bedarf also Komponenten aus der Informatik, Telekommunikation imd der Ortimgstechnik. Das Geofencing ermöglicht so die Fernüberwachung von geografischen Gebieten, die durch einen virtuellen Zaun (Geofence) umgeben sind, und erkennt automatisch, wenn definierte mobile Objekte diese Bereiche betreten oder verlassen.[4] So lassen sich bspw. Abfolgen von Kommandos oder Meldungen definieren, die beim Eintritt oder Austritt aus einer Geofencezone ausgeführt werden sollen, worauf im Verlauf dieser Arbeit anhand des autonomen Fliegens noch genauer eingegangen werden soll. Im Mobilfunkbereich ist uns diese Art von geografischer Differenzierung schon länger bekannt, woraus mit Roaminggebühren hinter Ländergrenzen ein wirtschaftlicher Nutzen gezogen wird.[5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: BMVI

Im Bereich des autonomen Fliegens werden die sogenannten ״No-Fly-Zones“ gerade aus Sicherheitsaspekten ein immer bedeutenderer Geofence Einsatz. Diese Zonen sind in den meisten Fluggeräten einprogrammiert bzw. implementiert, um kritische Zonen rund um bspw. Flughäfen oder Krankenhäuser zu sperren.[6] Im Verlauf dieser Arbeit soll erörtert werden, wie man diese Zonen optimieren kann.

Dazu soll anhand von privaten und

kommerziellen Anforderungen von

Drohnennutzem, sowie der Gesetzeslage, Sicherheit und Privatsphäre eines jeden ein möglichst optimaler Mittelweg eruiert werden.

Seit der neuen Drohnen­Verordnung ab April 2017 gelten nochmal verschärfte Gesetzte, die die Piloten zu beachten haben (Abbildung 1). Diese versucht zwar alle

Regelungen transparent darzustellen, jedoch wird durch die zimehmende Regulierung die Hobbynutzung erschwert, der Markt von autonomen Fluggeräten eingeschränkt und der bürokratische Aufwand gesteigert. Welche Vor- und Nachteile dies mit sich bringt und wie eine optimale Lösung aussehen könnte, ist Bestandteil dieser Arbeit.

2 Grundlagen des Geofencing

Um die Funktionsweise des Geofencing besser zu verstehen und den technischen Stand darzustellen, sollen im Folgenden die Grundlagen erläutert werden. Außerdem gilt es, die Vorteile dieser Technik auf zu zeigen, die einzelnen Elemente mit deren Entwicklungsstand näher zu beleuchten und die verschiedenen Einsatztechniken zu erklären.

2.1 Funktionsweise und Systembeschreibung

Die Nutzung von Geofencing setzt zimächst eine Bestimmung der Koordinaten des Geo fences, also des virtuellen Zaunes, und des zu betrachtenden Objektes voraus. Es ist also an Radio- oder Satellitensignale gebimden, mithilfe der man die Position bestimmten kann. Am weitesten verbreitet ist dafür das GPS (Global Positioning System) mit einer relativ einfachen Funktionsweise.[7] Es besteht aus einem System von 27 Satelliten, die über der ganzen Erde verteilt ihre Kreise ziehen und dabei laufend ihre aktuelle Position sowie die genaue Uhrzeit übermitteln.[8] Auf Grundlage dieser Daten kann ein darauf speziell ausgerichteter Empfänger mit Tracking Modul seine eigene Position und Geschwindigkeit errechnen. Für eine Ortsbestimmung benötigt man mindestens vier Satelliten, zu denen der Empfänger eine Verbindung aufgebaut haben muss, es gilt in diesem Fall der Grundsatz ״je mehr desto besser‘׳‘, da die Ortsbestimmung mit mehr Satelliten auch eine höhere Genauigkeit erlangt.[9]

Alleine die Kommunikation zwischen Satelliten und Empfänger ermöglicht natürlich keine weitere Verarbeitung der Daten. Die GPS Daten werden dazu mittels eines Telekommunikationsdienstes wie GSM oder LTE[10] an einen Server übermittelt, von wo aus sie von Applikationen der Nutzer ausgelesen werden können. Das bedeutet, dass auch erst in der Applikation des Clients die verschiedenen Berechnungen imd Analysen durchgeftihrt werden können.

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Abbildung 2: ArchitekUir eines Geofencing Kommunikationssystems

Positionsvergleiche oder das Auslösen einer Alarmmeldung, die ein Teil des Geofencing sind bzw. dieses erst möglich machen, finden somit ebenfalls erst softwareseitig in der Applikation statt. Dort werden im Fall einer Geofenceregelung stetig die aktuellen Positionsdaten mit den hinterlegten Geofence- Koordinaten verglichen.[11]

2.2 Vorteile durch die Verwendung von Geofences

Durch die Verwendung von Geofences können verschiedene Vorteile genutzt werden. Der wohl größte ist, dass Standortinformationen in Echtzeit mit den ״Zäunen‘‘ abgeglichen werden können.[12]

Im autonomen fliegen bietet es vor allem die Möglichkeit, die Überwachung von Drohnen zu automatisieren und somit auch unabhängig von aktiven Fluggeräten zu sein. Die meisten Hersteller, wie DJI, integrieren eine Datenbank, in der kritische Zonen, wie Flughäfen, Hubschrauberplätze, Krankenhäuser und Industrie als ״No-Fly-Zone“ hinterlegt sind, sodass sich die Geräte innerhalb einer solchen Zone gar nicht erst starten lassen, bzw. nicht in diese Zonen fliegen können. Zusätzlich können in Näherungs- bzw. weniger kritischen Gebieten Warnungen an den Bediener oder Piloten gesendet werden, damit er besonders aufmerksam auf die gesetzlichen Bestimmungen[13] achtet oder umdreht.[14]

Im Bereich der ״Aerial Footage“[15] versteht man heutzutage das Erstellen von Foto- oder Videoaufnahmen aus der Luft, die von einer Drohne aus gemacht werden. Dort lassen sich mit Geofence sehr einfach und effektiv intelligente Hilfsmittel zuschalten, mit denen die

gewünschten Aufnahmen auch ohne hohen Personalaufwand gelingen. Auf die verscheiden Modi, die als Hilfsmittel genutzt werden können, wird im Abschnitt 2.4 noch genauer eingegangen.

2.3 Elemente und deren Entwicklungsstand

Geofencing Technologien und Komponenten gibt es in verschiedensten Stadien, Preisklassen und Anwendimgsgebieten. Durch die hohe Vielfalt entsteht ein undurchsichtiger Markt mit Technik, Leistungen und Software, die teilweise sehr differenziert sind.

Die GPS-Technik gibt es schon seit 1995, ursprünglich entwickelt für das Militär, imd ist mittlerweile recht ausgereift. Die Infrastruktur an Satelliten, Sendemasten und Server, aber auch Systeme (GLONASS, Galileo, Beidou..) ist sehr stark aufgebaut und wird sukzessive verbessert, um genauere Ergebnisse zu erzielen.[16]

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Abbildung 3: GPS Antenne (kupferfarben) von Yuneec Q500 Drohne

GPS Einheiten können mittlerweile sehr klein sein und sind dabei dennoch gut ausgestattet. Allgemein besteht eine GPS Tracking Einheit aus einer GPS- Empfänger- und GMS/GPRS-Sender-Box, sowie natürlich einer (oder mehrere) Antenne(n) und einem Akku. Bei Drohnen sitzt die Antenne meist im Verhältnis großflächig unter dem Dach bzw. des Tops, um bestmöglichen und störungsfreien Empfang zu gewährleisten. Da Drohen größtenteils mit Akkus betrieben werden, sind diese sog. Flugakkus auch gleichzeitig die Versorger der GPS- Einheiten. Die Hersteller versprechen vor allem eine immer höhere Genauigkeit bei der

Positionsbestimmung und eine parallele Nutzung von verschiedenen Systemen (wie Z.B.

GLONASS).[17]

Gerade im Bereich des autonomen Fliegens nicht zu

.. , , .. .. . . vernachlässigen ist die etwas neuere Technik der

Abbildung 3: GPS Anteime (kupferfarben) von Yimeec 0500 Drohne “ ־ 7 7, , , ־

Wifi Kommunikation, da dort die meisten

Fernsteuerungen mit einer Funksignalwelle von 2,4 GHz mit der Drohne

kommunizieren.[18] Die Wifi Technik ist zwar ursprünglich nicht als Ortimgstechnik

konzipiert worden, erleichtert aber durch die hohe Datenübertragimgsgeschwindigkeit die

Steuerung von autonomen Systemen und ermöglicht unter anderem Funktionen wie ״Follow Me“ oder ״Coming Home“ (siehe auch Abschnitt 2.4).

2.4 Techniken des Geofencing

Sowohl im privaten als auch kommerziellen Einsatz stehen im Bereich des autonomen Fliegens verschiedene Geo fence Techniken zur Verfügung. Hier wird sich speziell auf die für Drohnen spezialisiert, die wiederum zwischen zuschaltbaren bzw. wahlweise nutzbaren und den (gesetzlich) festgelegten Geofencingfunktionen zu unterscheiden sind.

2.4.1 Area Geofencing

Die Area Geofencing Methode ist die bekannteste imd gleichzeitig auch am weitesten verbreitete bzw. genutzte Technik. Die

Hauptanwendung findet sie bei den sogenannten N0- Fly-Zones (kein Fliegen Zonen), in denen man nur in besonderen

Ausnahmenfallen eine Drohne starten darf und auch kann, da die Hersteller diese in ihrer Steuemngs- software schon

berücksichtig haben und die jeweilige Drohne dann gar nicht erst starten kann.

Daraus lässt sich bereits schließen, dass es sich um eine festgelegte Geo fence Area handelt.[19]

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Abbildung 4: No-Fly-Zones in Norddeutschland (DJI)

Allgemein lässt sich sagen,

dass diese Technik erkennt, ob eine Einheit die virtuelle Grenze betritt oder verlässt und kann entsprechend beispielsweise mit einem Alarm reagieren. Welche Formen oder Größen diese Areas haben, ist quasi nicht eingeschränkt, sie muss lediglich durch Punkte in Form von Koordinaten definiert und programmiert sein.[20] Die am meisten angewandte Geometrie ist im Drohnenbereich jedoch ein einfacher Kreis, wie auch auf der Abbildung

4 Zusehen. Man muss lediglich einen Punkt (Koordinate) und den Radius bestimmen, um die Zone zu definieren.

Der Vorteil an dieser Art der Geofence Festlegung ist, dass auch komplexe Gebilde mit Aussparungen möglich sind. Ein Gebiet (z.B. eine Stadt) kann so recht genau erfasst und virtuell nachgebildet werden. Jedoch sind ggf. auch viele Koordinaten zu erfassen, was IT-Operationen, insbesondere im mobilen Verkehr, verlangsamen kann. Ein gutes Beispiel fur komplexe Zonen sind Carsharing Anbieter, die ein genaues Gebiet definiert haben, in denen ihre Fahrzeuge abgestellt werden dürfen und sogar einzelne Inseln außerhalb der Hauptzone haben. Wenn ein Kunde mit einem Fahrzeug diese Gebiete verlässt, bekommt er eine Benachrichtigung darüber.[21]

2.4.2 Point of Interest

Diese Technik ist darauf ausgelegt, die Nähe eines Fahrzeugs in Relation zu einem bestimmten Punkt (Poin of Interest) zu erkennen. Der Geofence ist hierbei ein Kreis, bei dem sich der bestimmende Punkt in der Mitte befindet. Der Kreisradius kann mit unterschiedlichen, als sinnvoll erachten Abständen paraméterért werden. Die Anwendung reicht von wenigen Metem bis zu mehreren Kilometern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Follow / Watch Me

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Abbildung 6: POI

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Abbildung 7: Orbit Me

Ähnlich der No-Fly-Zones werden nur die Koordinaten des Zentrums imd der Radius als Parameter benötigt. Der Algorithmus berechnet dann den Abstand zwischen dem mobilen Objekt imd der Mitte des Kreises. Je nachdem, ob der Abstand kleiner oder größer als der Wert des Radios ist, wird das mobile Objekt entsprechend als innerhalb oder außerhalb des Geofence betrachtet.[22] Der entscheidende Unterschied zu No-Fly-Zones ist jedoch, dass es nicht ein ״gesperrter“ Bereich ist, der ggf. nicht betretbar ist, sondem gerade im autonomen Fliegen das Gegenteil bewirken soll. D.h. das mobile Objekt soll Aktionen innerhalb dieses Kreises ausführen bzw. sich darin befinden. Bei autonomen Drohnen Kommandos heißt dies meist, dass diese sich sogar möglichst genau auf der Grenze (Kreislinie) bewegen sollen. Unteranderem bei Aerial Footage spricht man von intelligenten Flugmodi, die den Piloten unterstützen sollen, die richtigen Aufnahmen zu bekommen. Die Point of Interest Einstellungen kann man bspw. bei dem Hersteller Yuneec unterteilen in ״Orbit Me“, ״Point of Interest“ und ״Follow me“ bzw. ״Watch me“. Wie die englischen Bezeichnungen bereits vermuten lassen, umfliegt die Drohne beim Orbit Me-Modus den Steuerer auf einer wählbaren Flughöhe in einer kreisrunden Bahn, wobei die Kamera immer auf ihn gerichtet ist. Beim Point of Interest-Modus funktioniert es genauso, nur dass es sich bei dem zu betrachtenden Objekt nicht um den Piloten handelt. Im Follow Me Modus hält die Drohne den eingestellten Abstand bzw. Position zum Piloten und folgt ihm in diesem Verhältnis, wenn er sich Abbildung 5: Follow/ bewegt. Beim Watch Me-Modus kann die Drohne sich zwar frei Watch Me

bewegen, die Kamera ist jedoch immer auf den Piloten gerichtet. Letzteres hat wenig mit Geofencing Zutun, wird der Vollständigkeit halber aber dennoch erwähnt.[23]

Der Vorteil dieser Methode ist klar die Einfachheit der Implementierung, da nur wenige Daten benötigt werden. In der Logistik kann diese Methode durch die Erweiterung mit Zeitfenstem imd/oder Geschwindigkeiten für logistische Planungszwecke genutzt werden, um bspw. Ankünfte von LKWs oder Schiffen einfacher zu planen.

2.4.3 Wegpunkte und Routen

Bei dieser Technik soll ein mobiles Objekt eine gesamte Strecke vom Start bis zum Reiseziel überwacht werden. Es kann so festgestellt werden, ob und inwieweit ein Objekt von seiner zugewiesenen Route abweicht.

Abbildung 8: Routengenaues Geofencing

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Vor der Abfahrt wird eine Route mit einem Koordinatenset in einer Software Applikation kreiert und festgelegt. Eine Reihe von kreisförmigen Geofences werden nacheinander (auch überlappend) entlang der gesamten Strecke angesetzt (vgl.

Abbildung 8). Wenn das Objekt von der vorgegebenen Route ab weicht, kann es bei Geofencesüberschreitungen je nach Toleranz einen Alarm auslösen. Diese Form des Geofencing ist recht aufwendig und eignet sich daher in der Logistik nur, wenn Strecken häufig und regelmäßig gefahren werden.[24] Außerdem findet sie eine Anwendung, wenn die zu transportierende Fracht entsprechend schützenswert ist. Bei solchen Werttransporten kann so, neben dem eigentlichen Diebstahlschutz, sofort Alarm gegeben werden, wenn der erlaubte Bereich der Route verlassen wird.[25]

2.5 Besonderheiten beim autonomen Fliegen

Es wurden nun bereits verschiedenste Techniken des Geofencing dargestellt, die einerseits speziell für das autonome Fliegen (besonders Kameradrohnen), andererseits aber auch für andere Anwendungen, wie die Logistik bzw. andere Fahrzeugbereiche konzipiert sind. Was jedoch alle gemeinsam haben ist, dass sie auf einer zweidimensionalen Sicht, quasi einer Vogelperspektive, basieren. Offensichtlich bewegt man sich beim Fliegen jedoch im dreidimensionalen Raum, daher stellt sich die Frage, ob die einfachen 2D Geofences gerade aus Sicherheitsperspektiven ausreichen. Es ist bspw. grundsätzlich verboten, ohne

[...]


[1] Hochschule für angewandte Wissenschaften Hamburg, Fakultät Wirtschaft & Soziales, Department Wirtschaft.

[2] Media Schmid.

[3] GPS, Global Positioning System.

[4] Vgl. Reclus, F. (2009), s 353.

[5] Vgl. Yeluri, R. (2014), S.94-95.

[6] Vgl. Yimeec.

[7] י Herrmann, H. (2013), S.492.

[8] ® MİTAC Europe (2012).

[9] Magicmaps.

[10] Mobilfimkstandards: Global System for Mobile Communications und Long Term Evolution.

[11] Karim, D., (2013), S.57.

[12] Vgl. Continental Automotive.

[13] Verordnung zur Regelung des Betriebs von unbemannten Fluggeräten.

[14] ״Vgl. DJI.

[15] Wörtl.: Luftaufnahmen.

[16] Vgl. Magicmaps.

[17] ” Vgl. Abidi, H., (2001), S.9.

[18] Vgl. technische Spezifikationen einer Drohne Bsp.: Yimeec Q500 https://www.y1meec.con1/de_DE/kameradrolmer1/typhoon-4k/daten.html.

[19] DJI Flysafe Map.

[20] Vgl. Reclus, F., (2009), S.354.

[21] Vgl. Car2Go Geschäftsgebiet.

[22] Vgl. Reclus, F., (2009), S.354.

[23] Vgl. intelligente Flugmodi Yuneec Typhoon H Drohne.

[24] Reclus, F. (2009), S.354.

[25] Vgl. GPS Watch.

Ende der Leseprobe aus 14 Seiten

Details

Titel
Geofencing im Bereich des autonomen Fliegens
Hochschule
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg
Note
1,7
Autor
Jahr
2018
Seiten
14
Katalognummer
V423902
ISBN (eBook)
9783668693289
ISBN (Buch)
9783668693296
Dateigröße
687 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Ausgearbeitet nach LNI-Autorenrichtlinie
Schlagworte
LNI, Geofencing, Autonome Mobile Systeme, Drohnen, Flugverbotszonen, Carsharing, LNI-autorenrichtlinie
Arbeit zitieren
Niklas Hurtig (Autor:in), 2018, Geofencing im Bereich des autonomen Fliegens, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/423902

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