Lieferdrohnen mit LiDAR: umweltfreundliche und kostengünstige Logistik

Von Hobbyfotografie bis zu Sicherheitsanwendungen – der Fortschritt in der Drohnentechnologie führt zu einem großen Nutzen in den verschiedensten Bereichen. Eine Anwendung, die in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat, umfasst den Einsatz von Lieferdrohnen im Fracht- und Logistiksektor.

Eine der bedeutendsten Barrieren für die Einführung von Drohnen in diesem Bereich ist technischer Art, nämlich das Problem, eine fehlerfreie Navigation und einwandfreies Manövrieren in städtischen Umgebungen sicherzustellen. Dieses Problem lässt sich durch die Integration geeigneter Sensorik, wie beispielsweise LiDAR, lösen. Der Einsatz von mit LiDAR-Sensoren ausgestatteten Drohnen würde in Lieferanwendungen dank der zentimetergenauen Präzision von LiDAR und der Möglichkeit zur 3D-Kartierung der Umgebung in Echtzeit großen Mehrwert schaffen.

Aktuelle Herausforderungen für die Logistikbranche

Firmen sehen sich starkem Konkurrenzdruck gegenüber, in der modernen Geschäftswelt mit einer früher undenkbar hohen Anzahl von Lieferungen am gleichen Tag und erstaunlich verkürzten Versorgungsketten zu bestehen. In der Weihnachtszeit 2020 zum Beispiel lieferte Amazon 1,5 Milliarden Pakete weltweit aus. Unternehmen führen unter hohem Zeitdruck neue Technologien ein und experimentieren mit innovativen Supply-Chain-Modellen, um Liefervolumina zu erhöhen, Lieferzeiten zu verkürzen und Kunden zufrieden zu stellen, während sie gleichzeitig Kosten sparen müssen, um wettbewerbsfähig zu bleiben.

Die schwierigste Hürde in jeder Supply Chain liegt oft im letzten Teil des Prozesses, der sogenannten „letzten Meile der Zustellung“ (Last Mile Delivery).  

Wie können Drohnen helfen, die Herausforderungen der Logistikbranche zu lösen?

Der Einsatz einer Drohne für die „letzte Meile“ kann erhebliche Kosten sparen. Zum Beispiel zeigte eine Studie von 2016, dass das Drohnenliefersystem von Amazon Prime die Kosten an den geschäftigsten Tagen des Jahres um ein Drittel verringern könnte – verglichen mit einem Lieferwagen des US-Postdienstes in einer Stadt mittlerer Größe in den USA. Das ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass dabei manuelle Arbeit minimiert wird.

In ähnlicher Weise hat UPS die Installation von Mini-Hubschrauberlandeplätzen auf den Lieferwagen der Firma erwogen. Schätzungen zufolge könnte UPS bis zu 50 Mio. USD sparen, wenn die Firma lediglich eine einzige Meile auf den Strecken jedes ihrer 66.000 Lieferwagen eliminierte. Drohnen nutzen im Gegensatz zu Lieferwagen den bislang ungenutzten Luftraum in niedrigeren Höhen, sodass sie sonstigen Verkehr meiden können. Diese kürzeren Lieferzeiten würden Versandkosten für Kunden senken sowie Rentabilität und Umsatz für Unternehmen steigern.

Wo werden Lieferdrohnen bereits eingesetzt?

Seit dem Start von Amazons Drohnenlieferprogramm 2018 hat das Unternehmen mehrere Drohnendesigns getestet und Tausende Drohnentrainingsstunden verbucht. Außerdem hat es 2020 die Genehmigung zum Drohnenbetrieb von der US-Luftfahrtbehörde, der Federal Aviation Administration (FAA), erhalten.

Alphabet, die Muttergesellschaft von Google, hat ebenfalls ihre eigene Version eines zukunftsweisenden Lieferdienstes in Logan, Australien, eingeführt. Ihre Tochtergesellschaft Wing hat Drohnenlieferungen in städtischen Außenbezirken Realität werden lassen.

Welche Sensorik wird gebraucht, um Lieferdrohnen Realität werden zu lassen?

Um das von Lieferdrohnen gebotene, enorme Potenzial zu nutzen, müssen sie in der Lage sein, mithilfe von verlässlicher Umgebungserfassung autonom und sicher zu fliegen. Es gibt drei primäre Methoden zur Umgebungserfassung, die für Objekterkennung und Kollisionsvermeidung verwendet werden können. Die häufigste Methode ist die optische Erkennung, beispielsweise mithilfe von Kameras. Diese Kameras sind zwar sehr klein, haben aber eine beschränkte Sichtweite, können nicht alle Objekte erkennen und erfordern eine beträchtliche Hardware und entsprechende Stromquelle zum Betrieb.

Die zweite Option ist Radar, bei dem Radiowellen, die von Objekten reflektiert werden, zur Navigation dienen. Radar bietet lange Erkennungsreichweiten von bis zu 1 km, hat jedoch auch Einschränkungen, wie eine geringe Erkennungspräzision aufgrund der breiten Signalstrahldivergenz. Das bedeutet, dass eine Drohne auf Radarbasis zwar erkennen kann, ob etwas vor ihr im Flugpfad liegt, doch ist dessen exakte Identifizierung unmöglich. Radarbasierte Drohnen erfordern ebenfalls ein System mit großen Abmessungen sowie Bordstrom zum Betrieb.

Nun kommen LiDAR-Sensoren ins Spiel

Die obigen Betrachtungen zeigen, dass erhebliche technologische Hindernisse überwunden werden müssen, bevor Drohnen autonom die letzte Meile der Zustellung übernehmen können. Hier bietet LiDAR Vorteile. Die Technologie berechnet den Abstand zu Objekten, indem sie kurze Laserimpulse aussendet und die Zeit misst, welche diese Impulse benötigen, um nach ihrer Reflexion vom Objekt zum Sender zurückzukehren. Diese Technik erzeugt einen großen Datensatz zur Erstellung hochauflösender Karten und 3D-Modelle von natürlichen und künstlichen Objekten und Umgebungen, einschließlich Straßen, Gebäuden und natürlichen Landschaftsmerkmalen.

LiDAR bietet eine höhere Auflösung als andere Sensoren und erzeugt eine dichtere Punktwolke, was bedeutet, dass die erhaltenen Informationen verlässlicher sind. LiDAR gestattet außerdem zentimetergenaue Präzision und bietet ein großes Sichtfeld, wodurch Lieferdrohnen herausfordernde Aufgaben bewältigen können, wie eine bestimmte Höhe präzise einzuhalten, Hindernissen auszuweichen und einen freien Landebereich sicherzustellen.

Alle Sensoren, die erfolgreich in eine Drohne integriert werden können, müssen leicht und klein sein und einen geringen Stromverbrauch haben. Der Blickfeld Cube 1 besticht auf diesem Gebiet mit für einen LiDAR-Sensor äußerst kleinen Abmessungen. Auf diese Weise kann er die erforderlichen Parameter erfüllen und sicherstellen, dass eine maximale Zuladung über lange Strecken bei minimalem Batterieverbrauch transportiert werden kann.

Außerdem müssen die in Drohnen integrierten Sensoren absolut robust sein. Sie müssen detaillierte und zuverlässige Daten unter härtesten Bedingungen, wie mechanischer Vibration und schlechtem Wetter wie Regen oder Nebel, liefern können. Die Blickfeld LiDAR-Sensoren zeigen auch auf diesem Gebiet höchste Leistungen: Ihr Solid-State-Design gestattet ihnen einen zuverlässigen Betrieb selbst bei Vibration oder herausfordernden Licht- und Wetterverhältnissen. LiDAR-Sensoren sind generell unabhängig von Licht. Das bedeutet, dass sie selbst nachts ohne Umgebungslicht mit derselben Genauigkeit und Zuverlässigkeit funktionieren, während solche Bedingungen ein erhebliches Problem für Kameras darstellen.

Rechtliche Einschränkungen für Lieferdrohnen: LiDAR schafft erneut Abhilfe

Abgesehen von technologischen Hürden stehen Lieferdrohnen in den meisten Ländern vor dem großen Hindernis einer erdrückenden Rechtslage, die den Flug kommerzieller Drohnen in bestimmten Bereichen einschränkt. Aktuelle Luftraumbeschränkungen führen dazu, dass die meisten Flugstrecken für Drohnen vollkommen gesperrt sind.

Dieses Misstrauen stammt aus Datenschutzbedenken bezüglich Drohnen, d. h. Befürchtungen in der Bevölkerung, dass Drohnen über ihrem Haus schweben und ihre Tätigkeiten heimlich ohne ihr Wissen oder Einverständnis aufzeichnen könnten. LiDAR bietet hier eine einzigartige Lösung im Vergleich zu herkömmlichen Drohnensensoren wie Kameras. Es zeichnet während seines Betriebs anonyme 3D-Daten auf, sodass die Identität und damit der Datenschutz von Personen niemals kompromittiert sind, während die Drohne problemlos zu ihrem Zielort navigieren kann.

Vorteile für die Umwelt: Einführung von Drohnen mit LiDAR für städtische Frachtlogistik

Abgesehen von Kosteneinsparungen für Unternehmen könnten Lieferdrohnen außerdem die Luftverschmutzung signifikant verringern. Städte tragen derzeit bis zu 70 % der gesamten Treibhausgasemissionen der Welt bei, wobei 5,5 % der gesamten Emissionen vom Transportsektor verursacht werden.

Unternehmen und Logistikfirmen sind von großen Fuhrparks abhängig, um die ständig steigende Nachfrage zu erfüllen, was zu einer noch stärker überlasteten Straßeninfrastruktur, zu Verkehrsstaus und damit zu CO2-Emissionen beiträgt. Die durchschnittliche Paketzustellung mit einem LKW, zum Beispiel, verursacht ca. 1 kg Treibhausgasemissionen. Der Logistiksektor muss Strategien erstellen, die über den Einsatz von Elektrofahrzeugen hinausgehen, und nach radikalen Innovationen zur Verringerung seiner CO2-Bilanz suchen. Die Nutzung des Luftraums in niedriger Höhe durch Lieferdrohnen wird die Belastung des Verkehrsnetzes reduzieren und die städtische Infrastruktur entlasten.

LiDAR-basierte Lieferdrohnen sind die Zukunft der Logistik 

McKinsey schätzt, dass autonome Fahrzeuge, einschließlich selbstfliegenden Drohnen, zukünftig 80 % aller Artikel liefern werden. Der Markt für kommerzielle UAV (unbemannte Luftfahrzeuge) wurde 2021 auf 22 Mrd. US-Dollar geschätzt. Drohnen sind bei weitem noch nicht ausgereift, doch sollten Unternehmen ihren Nutzen für den Geschäftsbetrieb und als Teil ihrer langfristigen Strategie auf dem Schirm haben, um konkurrenzfähig zu bleiben.

Drohnen mit LiDAR bieten eine echte Gelegenheit, um Versorgungsketten zu revolutionieren und die Kundenzufriedenheit zu verbessern. Gleichzeitig können Drohnen den Druck auf das für die „letzte Meile“ der Logistik verwendete Straßennetz entlasten und dabei erhebliche Umweltvorteile bieten.