Drones worden steeds populairder door de brede toepassingsmogelijkheden en worden ook steeds goedkoper in aankoop. Nieuwe technologische ontwikkelingen en sensoren verhogen het gebruiksgemak en de veiligheid van drones, aangezien hierdoor steeds meer vluchtaspecten geautomatiseerd kunnen worden. Drones worden met andere woorden steeds gebruiksvriendelijker en veiliger. Een van de grootste uitdagingen hierbij is communicatie en dit op verschillende vlakken.

Drones en hun toepassingen

Er zijn gigantisch veel toepassingen van drones. We bekijken hier enkele veel voorkomende commerciële en professionele toepassingen . De keuze en het type van de drone varieert naargelang de toepassing. Ook de ‘spelregels’ hangen af van de toepassing. Een wettelijk kader vertelt de maatregelen en voorzieningen die getroffen moeten worden.

Vliegen met drones: het wetgevend kader

Sinds 31 december 2020 zijn de Europese regels van kracht voor alle lidstaten[1]. Deze regels kunnen eventueel per lidstaat nog verstrengd worden. Eerst en vooral worden er door elke lidstaat geozones gedefinieerd  waar bepaalde restricties gelden, afhankelijk van de risico’s die er kunnen optreden. Deze zones kan een lidstaat vrij aanduiden op zijn grondgebied en dat voor een bepaalde of onbepaalde duur. Een voorbeeld zijn zones waar luchthavens zijn. Op volgende figuur (bron: https://map.droneguide.be/) kan je een voorbeeld vinden van de op 21 januari 2021 geldende geozones  (*volgens de huidige Belgische en Europese wetgeving).

In de Europese regelgeving voor drones zijn er drie voor-gedefinieerde categorieën : open, specifiek en gecertifieerd. Volgende figuur geeft een schematisch overzicht van deze categorieën. Het verschil tussen deze zones zit vooral in het risico dat de vlucht inhoudt.

Vluchten in een open categorie, worden beschouwd als laag-risico en vereisen geen voorafgaande vluchtvergunning. Bij deze vluchten dient de drone ten allen tijden in zicht (VLOS) te zijn van de piloot of een waarnemer (EVLOS) en moet deze ook onder 120m hoogte blijven. Voor de open categorie zijn er drie sub-categorieën (A1, A2, A3) en  zijn er verder nog enkele drone klassen (Cx), bepaald door het gewicht (maximum take-off mass of MTOM) van het toestel zelf, die bepalen in welke subcategorie er gevlogen mag worden. De subcategorieën en klassen worden beknopt samengevat in de volgende tabel.

Indien de beperkingen van de open categorie niet volstaan, volgt de specifieke categorie. Dit betreft  vluchten met een medium-risico. Activiteiten met drones van bijvoorbeeld meer dan 25 kg en/of vluchten boven publiek of waarbij de drone niet steeds in zicht gehouden kan worden (BVLOS), vallen doorgaans onder de specifieke categorie. Voorafgaand een vlucht in deze categorie moet er eerst een risicobeoordeling uitgevoerd worden. Op basis van deze risicobeoordeling zal al dan niet een vergunning of akkoord verstrekt worden door de nationale luchtvaartautoriteit. In deze risicobeoordeling zitten ook de toestelvereisten en bekwaamheid van de piloot of operator.

Binnen de laatste gecertifieerde hoog-risico categorie, vinden we applicaties met grote drones en/of in gecontroleerde luchtruimen. De regels die hier van toepassing zijn, zijn gelijkaardig aan die van de bemande luchtvaart. Drones moeten uitvoerig getest zijn en aan strenge eisen voldoen. De piloot dient in het bezit te zijn van het juiste brevet en vergunningen. De nationale luchtvaartautoriteiten en EASA zullen hier veiligheidstoezicht houden.

Vluchten in steden vallen doorgaans in de specifieke of gecertifieerde categorie. Dit wordt bepaald door de luchtvaarautoriteiten.

Autonome vluchten vallen ook onder de specifieke of gecertifieerde categorie. De hardware en software dient aan strenge eisen te voldoen om ongevallen te vermijden en risico’s te reduceren. Dit kan bijvoorbeeld door een operator in te schakelen die de status van een of meerdere drones tegelijk controleert.

Toepassingen

First-response drones: drones als ondersteuning voor hulpdiensten

De titel beschrijft al grotendeels het doel van deze drone applicaties. Deze drones worden ingezet door bijvoorbeeld politie, brandweer of medische diensten voor het inschatten van een situatie, opsporing, surveillance en zelfs transport van medisch apparatuur.

De drones zijn groter dan gemiddeld en vliegen veelal buiten de visuele zichtlijn van de piloot of operator. De afstand tussen piloot en drone kan variëren van tientallen meters tot enkele kilometers. De vluchttijd kan oplopen tot  één uur of langer. De lading weegt hier al snel enkele kilo’s, afhankelijk van de toepassing . Het kan bijvoorbeeld nodig zijn om een HD of IR camera met groot zoombereik voor opsporing en surveillance te gebruiken of een AED-toestel,  in het geval van een medische toepassing. Dit heeft ook als gevolg dat de vluchten vallen binnen de categorie specifiek of gecertifieerd.

De toestellen dienen te voldoen aan strenge normeringen. Hoewel de besturing bij deze applicaties voor een groot stuk autonoom kan gebeuren, is er meestal toch een piloot aanwezig om indien nodig in te grijpen of om de vluchtroutes te bepalen. Voor de surveillance en opsporing is er een extra operator die de inkomende data verwerkt. Dit kan gaan om camerabeelden of informatie van andere sensoren die wordt gebruikt om een  gepaste actie te ondernemen of om aansturing te doen van derden zoals bijvoorbeeld interventieploegen van brandweer en politie.

Bij dit type applicatie zal de data bij voorkeur via gecodeerde en gelicentieerde kanalen verlopen zoals bijvoorbeeld via het mobiele netwerk. Echter zien we in de praktijk bij navraag dat drones, gebruikt door politie en brandweer als communicatiekanaal de standaard veel voorkomende 2,4/5GHz frequentieband gebruiken.

Drones voor inspecties en bewaking

Onder outdoor toepassingen vallen bijvoorbeeld bewaking, inspectie van infrastructuur (bv. windmolens, hoogmasten, antennes, bruggen, …), plaatsbeschrijvingen of het opmeten van bestaande toestanden in de bouw, toepassingen in de landbouw of geografische toepassingen, inventarisatie, …). Daarnaast zijn er ook tal van toepassingen in de culturele sector of voor het maken van promotie- of nieuwsmateriaal.

Voor outdoor toepassingen kunnen de vrije frequenties in beperkte mate gebruikt worden, dit zal enkel het geval zijn voor het inventariseren op privé terreinen. Bij autonome vluchten van zwaardere drones die al dan niet over privé terreinen verlopen dienen er risico analyses  vooraf gemaakt te worden. Een onderdeel hiervan is wat er gebeurt bij communicatieverlies en hoe dit zoveel mogelijk te beperken en zelfs te vermijden. Bij (een korte) communicatieverlies zal de drone zijn autonome taak in de meeste gevallen verderzetten indien dit veilig geacht wordt. Veiligheidshalve zal indien dit verlies langdurig is, de drone zelfstandig landen op een vooraf gedefinieerde locatie of op de locatie waar hij op dat moment is (indien de drone dit veilig kan). Om communicatieverlies te beperken is het aangewezen om gelicentieerde kanalen te gebruiken, zodat de beschikbaarheid van het kanaal alleszins al gegarandeerd is. Ook hier zien we in de praktijk dat de standaard kanalen (2,4/5GHz) meestal gebruikt worden.

Drones voor indoor toepassingen

Bij indoor gebruik zijn er geen specifieke wetten of regels beschikbaar, wel dienen de nodige veiligheidsvoorschriften in acht genomen te worden ter beveiliging en preventie van ongevallen met personen.

Voor indoor inventarisatie worden veelal kleinere drones gebruikt met enkele sensoren aan boord zoals bijvoorbeeld een camera of RFID scanner om producten te identificeren. Op deze manier kunnen ze goederen opsporen of  de actuele voorraad opnemen.

De communicatie voor indoor gebruik loopt nagenoeg altijd via de standaard gebruikte en vrij te gebruiken kanalen. Echter is het aangewezen om vooraf een frequentiescan te doen om te kijken of er bepaalde frequenties druk bezet zijn, waardoor er communicatieproblemen zouden kunnen voorkomen. In bepaalde omstandigheden, bijvoorbeeld bij de inspectie van metalen tanks of riolen is de communicatie soms een uitdaging.

De verschillende communicatiekanalen

Een drone beschikt typisch over meerdere communicatiekanalen, waarbij command & control er altijd één van is. Daarnaast kan er een communicatiekanaal aanwezig zijn voor positionering (b.v. GPS en IMU), data overdracht (bv. camera) en voor onderlinge communicatie tussen verschillende drones.

Het communicatiekanaal dat gebruikt wordt voor command & control  is het meest kritische. Via dit kanaal wordt de drone aangestuurd en uitgelezen. Als de transmissie van dit kanaal wegvalt dienen er, afhankelijk van de  categorie, bepaalde acties automatisch ondernomen te worden. Deze acties resulteren meestal in een automatische landing van de drone, al dan niet op de locatie waar hij voorheen is opgestegen. Naast het wegvallen van het signaal is ook de beveiliging van het communicatiekanaal belangrijk zodat de drone niet gekaapt kan worden.

Voor de positionering maakt een drone outdoor meestal gebruik van satelliet positioneringstechnieken (GPS, Beidou, Galileo en/of GLONASS). Met de huidige moderne standaard ontvangers kan hier een nauwkeurigheid van minder dan 5m behaald worden, maar dit wordt door veel factoren beïnvloed (bv. weersomstandigheden, objecten in nabije omgeving, aantal zichtbare satellieten, …). Indien een betere nauwkeurigheid vereist is, in het centimeter niveau, wordt er overgegaan naar een RTK positioneringssysteem. Hierbij wordt met behulp van correctiegegevens van grondstations de foutmarge verkleind. De correctiedata komt op de drone binnen via een apart communicatiekanaal (b.v. Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee of cellulair) of via het data communicatiekanaal. Optioneel kan bij het systeem ook een IMU (Inertial Measurement Unit) ingezet worden om de nauwkeurigheid nog te verbeteren of te behouden indien de kwaliteit van satelliet signaal tijdelijk slecht is (b.v. occlusie in een verstedelijkt gebied of vliegen naast een gebouw, waarbij het aantal “zichtbare” satellieten drastisch beperkt wordt).

Voor indoor positionering zijn er een aantal beschikbare technieken. Deze technieken maken gebruik van bijvoorbeeld Bluetooth, Wi-Fi, UWB of ultrasound. Elk van deze technieken hebben bepaalde voor- en nadelen afhankelijk van het beoogd gebruik en de locatie. Binnen Flanders Make is er veel ervaring met zowel indoor als outdoor positionering. Jarenlange ervaring met deze technologie stelt ons in staat om drones uiterst nauwkeurig binnen de meest uiteenlopende en uitdagende omgevingen te navigeren.

Bijzonder interessant is ook de opkomst van simultaneous localisation and mapping (SLAM) algoritmes. Met behulp van deze algoritmes brengt de drone tijdens het vliegen zijn omgeving in kaart en kan hij zichzelf positioneren op deze kaart. Dit is vooral interessant indien er geen andere positioneringstechnieken mogelijk zijn of in combinatie met andere technieken om de risico’s te verlagen indien een communicatiekanaal dat gebruikt wordt voor positionering of navigatie wegvalt. Flanders Make heeft verschillende projecten lopen waarin de mogelijkheden van verschillende SLAM algoritmes onderzocht worden en waarin redundante positioneringstechnieken gebruikt worden.

Het data communicatiekanaal is bedoeld voor alle data afkomstig van drone add-ons die geen directe invloed hebben op de navigatie van de drone. Het is de data afkomstig van alle sensoren en actoren die een taak hebben die draait rond de beoogde dronetoepassing, zoals bijvoorbeeld een camera, … . Deze data dient, afhankelijk van de applicatie, (real-time) gestreamd te worden naar de gebruiker. Dit kan de piloot zelf zijn, maar vaak is dit iemand anders, zodat de piloot zich enkel op het vliegen hoeft te focussen.

Tabel 1: Vrij bruikbare frequenties voor drones volgens BIPT aangevuld door Flanders Make

In de tabel zien we de vrij bruikbare frequenties voor radio gestuurde toepassingen zoals speelgoed, modelvliegtuigen en drones. Het weergegeven bereik tussen zender en ontvanger kan afgeleid worden met behulp van basis fysica, maar buiten de frequentie en het zendvermogen, waarvan het maximum wettelijk vastligt, zijn er nog diverse parameters die het bereik sterk kunnen beïnvloeden. De voornaamste zijn het type van antenne, de sterkte van de ontvanger, de materialen in de buurt van de zender en ontvanger en vochtigheid in de lucht. Al deze parameters op zich zijn frequentieafhankelijk, wat wil zeggen dat ze anders reageren bij verschillende frequenties.

Een licentie om een bepaalde bandbreedte te mogen gebruiken kan enkel op aanvraag bij het BIPT en gedurende een beperkte periode. Het nadeel is dat iedere aanvraag tijd en geld kost.

Verder is er ook nog communicatie via het cellulaire netwerk (LTE, 4G en in de nabije toekomst 5G). Het grote voordeel bij deze communicatietechnologie is dat het bereik in verstedelijkt en landelijk gebied onbeperkt is. Voor afgelegen gebieden en vanaf bepaalde hoogtes is de ontvangst minimaal tot nihil. Dit komt doordat het mobiele netwerk bedoelt is voor smartphones en andere mobiele toepassingen dicht bij de grond. De antennes zijn dus afgestemd op een ver horizontaal bereik op locaties waar veel communicatiemiddelen nodig zijn/gebruikt worden (vanuit een commercieel standpunt).

Voor de aansturing van drones stelt zich een probleem bij de vertraging op het signaal die zich kan voordoen, deze is namelijk veranderlijk en kan niet ingeschat worden. Hierdoor zou een bepaalde actie vertraagd uitgevoerd kunnen gaan worden, wat kan leiden tot problemen. Bij het nieuwe 5G-netwerk worden garanties gegeven t.a.v. de maximum vertraging en zou dit probleem van de baan zijn.

De bandbreedte en datasnelheid is voor de meeste toepassingen voldoende en vermits het om een data verbinding gaat, kan er een codering van het signaal gebruikt worden. Binnen Europa worden de 800/900/1800/2600MHz frequentiebanden gebruikt voor 4G. Dit heeft als voordeel dat bij storing van een bepaalde frequentie er in de meeste gevallen nog andere frequenties beschikbaar zijn. De hardware voor mobiele communicatie is in de meeste gevallen ook zo ontworpen dat zij met al deze frequentiebanden kunnen werken en dus naadloos kunnen schakelen tussen de frequentiebanden.

In de nabije toekomst verwachten we 5G, maar ook hier zullen we niet de heilige graal in terugvinden, hoewel de standaard een beschrijving maakt van vaste (maximum) vertragingen, is het afwachten of dit in de realiteit ook toegepast zal zijn. 5G kent vele verbeteringen in zijn standaard ten opzichte van 4G en het is niet zeker of deze vanaf dag één al beschikbaar zullen zijn. Verder is er het feit dat het bereik van 5G véél kleiner is door werking op hogere frequenties en er dus naar schatting minstens 5x zoveel masten zouden moeten bijkomen, wat op dit moment niet realistisch is. Er wordt dan ook nagedacht om kleinere zogenaamde cellen op straatniveau te integreren in de bestaande infrastructuur zoals bijvoorbeeld verlichtingspalen. Naast de extra masten is er ook nieuwe infrastructuur nodig om de data snel via glasvezelkabels rond te sturen.

In de praktijk

We zien in de meeste gevallen dat bij zowel de goedkopere als zelfs de (semi)professionele drones de standaard open frequentiebanden terugkomen voor de communicatie, met als topfavoriet de 2,4 en 5GHz frequenties, die ook gedeeld wordt met WiFi. Er zijn enkele belangrijke  redenen die een rol spelen in die populariteit. Een van deze redenen is dat communicatietechnologieën en -producten die werken met deze frequenties   al jaren beschikbaar zijn. Het gebruik van deze frequenties bespaart ook  tijd en geld omdat er geen licenties verkregen moeten worden. Daarnaast zijn deze frequenties ook vrij te gebruiken over de gehele wereld zodat er geen controllers moeten ontwikkeld worden om op andere  frequenties te werken die per gebied of land kunnen variëren. Anderzijds heeft de gemiddelde drone gebruiker weinig kennis omtrent radiocommunicatie en de mogelijke veiligheidsgevolgen. Er wordt van uitgegaan dat het de verantwoordelijkheid van de leverancier is om hiervoor een oplossing te voorzien.

Toch zijn er niet te verwaarloosbare nadelen die niet worden opgelost in bijvoorbeeld de berekening van veiligheidsrisico’s. Eerst is er de mogelijkheid van communicatieverlies doordat deze frequentieband dichtslibt vanwege de veelvuldige apparaten die deze band delen (WiFi, Zigbee en Bluetooth toestellen, speelgoed besturingen, radars, …). Dit is vooral duidelijk merkbaar in verstedelijkte gebieden. Anderzijds is er ook een beveiligingsrisico, aangezien er frequentie-jammers en zelfs hacking-tools in omloop zijn voor deze veelgebruikte en open frequentiebanden.

Er zijn bedrijven die zich  specialiseren in het reduceren van deze beveiligingsrisico’s en die afzonderlijke standaard controllers of zelfs controllers op maat verkopen met de bijbehorende receivers voor op de drone, die gebruik maken van andere, al dan niet gelicentieerde, frequenties.

Hoewel de Europese en Belgische dronewetgeving geen restricties of adviezen voorschrijft betreffende de communicatietechnieken die gebruikt dienen te worden zijn er wel bepalingen opgenomen inzake veiligheid die onrechtstreeks betrekking hebben tot het maken van de juiste keuze van communicatiefrequenties. De overheden zijn momenteel bezig om een frequentieband in de toekomst te reserveren voor enkel niet-militaire onbemande luchtvaart.

Het gebruik van cellulaire communicatie is op dit moment nog beperkt. De drones met dit type communicatiekanaal zijn altijd op maat gemaakt voor de klant. Door de aard van communicatie en de veranderlijke vertraging in het signaal inherent bij gebruik van LTE of 4G, is dit enkel geschikt voor drones met een hogere graad van autonomie. Deze drones beschikken over de nodige sensoren en intelligentie om zelfstandig en veilig te kunnen vliegen zonder continue interactie met een persoon op de grond of grondstation. We zien deze techniek bijvoorbeeld veel terugkomen in demo’s en prototypes van drones voor post- en pakketbedeling, waar dit communicatiekanaal en type drone met hoge autonomie zich perfect toe leent. Drones met dit communicatiekanaal kunnen echter niet ingezet worden bij rampbestrijding omdat we hier vaak zien dat de cellulaire netwerken op het ogenblik van een ramp overbelast  of niet betrouwbaar zijn. Dit komt omdat ze gevoed worden door het vaste stroomnet en dit op het ogenblik van een ramp onderhevig kan zijn aan onderbrekingen.

Expertise rond communicatietechnologieën binnen Flanders Make

Flanders Make heeft als strategisch onderzoekscentrum ervaring met verschillende communicatietechnologieën voor diverse industriële toepassingen. Het grote voordeel van deze kennis is dat Flanders Make ook makkelijk nieuwe en bestaande technologieën van een bepaald applicatiedomein kan implementeren, testen en valideren in een ander applicatiedomein, en dat op bovendien relatief korte termijn. Een voorbeeld hiervan is de automotive V2X ITS-G5 standaard, gebaseerd op IEEE 802.11p (ook wel gekend als WiFi-P), die bijvoorbeeld ook kan toegepast worden voor communicatie tussen drones onderling. V2X is een korte afstand communicatietechniek, ontwikkeld voor de automobiel sector, met zeer weinig vertraging en die wordt gebruikt voor het real-time delen van veiligheidskritische data zoals bv. bij filevorming waarbij wagens een bericht krijgen om gelijktijdig te remmen.

Binnen Flanders Make doen we actief onderzoek naar indoor- en outdoor lokalisatie, gebruikmakend van diverse technieken als visiesystemen (odometrie, SLAM, …), GPS (PPP, sensor fusie met IMU, …) en met behulp van lokale communicatiesystemen zoals UWB, WiFi of V2X (WiFi-P). Dit zijn uiteenlopende technieken met elk hun eigen sterktes en zwaktes. Vaak kiezen we dan ook voor een combinatie om redundante positioneringsinformatie te hebben, maar ook om bijvoorbeeld met één systeem zowel indoor als outdoor te kunnen navigeren.

Onze meest geavanceerde drones voeren zelfstandig taken uit en kunnen commando’s ontvangen via verschillende communicatiekanalen. Voor onderzoek binnen de landbouwsector gebruiken we op het veld het cellulair netwerk om bijvoorbeeld een volgende taak door te sturen of een nieuw traject in te laden, dat de drone moet volgen. Een ander voorbeeld is een drone die een magazijn inventariseert. Hier verloopt de communicatie via UWB of WiFi.

Door een nauwe samenwerking met de Vlaamse bedrijven, universiteiten en andere onderzoeksinstellingen zoals bijvoorbeeld KULeuven, UGent of imec, kan Flanders Make ook antwoorden en oplossingen zoeken die buiten de bestaande standaarden en op de markt beschikbare technologieën vallen. Gaande van nieuwe of specifieke software applicaties tot RF-ontwerp van bijvoorbeeld antennes.

Naast het technische gedeelte is er natuurlijk ook het wettelijk kader. Mag ik communicatietechnologieën zoals bijvoorbeeld UWB overal gebruiken? Welk vermogen mag ik uitsturen op een bepaalde frequentie? Hoe kan ik de veiligheidsrisico’s die verbonden zijn met gebruikte communicatietechnologieën in kaart brengen?  Welke stappen moet ik ondernemen om een product op de markt te brengen? Ook hier beschikt Flanders Make over de kennis en de contacten bij verschillende (overheids-)instanties om bedrijven bij te staan.

Conclusie

We zien op dit moment dat er op de commerciële en professionele markt, met uitzondering van defensie, nagenoeg enkel gebruik gemaakt wordt van de vrije 2,4Ghz en 5Ghz frequentieband voor de communicatie met drones. Na rondvraag bij de eindgebruikers merken we dat er weinig kennis is rond dit onderwerp en de gevaren die dit met zich mee kan brengen. Gebruikers kopen een drone en verwachten dat dit out-of-the-box veilig werkt en zijn wellicht niet altijd op de hoogte van eventuele (wettelijke) verantwoordelijkheden. Na lokale rondvraag, worden door de gebruikers op dit moment ook nog geen grote problemen gemeld. Er kan wel eens een communicatieverlies zijn, maar dit lost zichzelf al weer snel op. Toch mag het duidelijk zijn dat er in de toekomst meer problemen worden verwacht, omdat bepaalde frequentie snelweg stilaan dichtslibben door het aantal gebruikers.

Het onderwerp communicatie werd bovendien niet expliciet mee opgenomen in de nieuwe drone regelgeving. Dit betekent dat de gebruiker  op zichzelf aangewezen is om dit risico in te schatten en al dan niet de gepaste maatregelen te treffen, hetgeen vooral belangrijk zal zijn voor vluchten in geozones, en in de Specific en Certified categorieën waar de veiligheidsrisico’s groter worden. De Europese autoriteit CEPT werkt momenteel wel aan nieuwe regelgevingen en afspraken rond een frequentieband(en) die enkel voor drones zou gereserveerd zijn. Echter zijn er nog geen verdere details beschikbaar.

Het is nu vooral ook wachten totdat 5G effectief beschikbaar is om erachter te komen in welke mate dit communicatiekanaal geschikt zal zijn voor het gebruik bij drones. Vanaf er een brede dekkingsgraad is en de verwachtingen vervuld zijn, heeft 5G zeker het potentieel een game changer te zijn op vlak van communicatie met en tussen drones in het alom groeiende IoT.

In veel van het onderzoek van Flanders Make  spelen communicatietechnologieën en belangrijke rol. Indien u vragen of interesse heeft rond communicatietechnologieën, aarzel dan niet om contact met ons op te nemen!

 

Auteur
CHRISTOPHE MANNAERTS
Christophe is Application Engineer bij Flanders Make en specialist in sensoren en communicatie voor autonome- en industriële applicaties.

Contacteer EUKA/Flanders Make voor meer informatie
Updates en nieuwe artikels ontvangen in je mailbox? Schrijf je dan snel in voor onze nieuwsbrief!

Pin It on Pinterest