Unser Forschungsprojekt zu FLL 2017 Hydro Dynamics

1. Forschungsprojekt

Im Mai 2017 hatten wir schon Kontakt mit Dr. Szabo von der Hochschule Friendensau. Er betreut in Tansania ein Schulprojekt. Ein großes Problem in Tansania ist natürlich die Wasserknappheit. Also haben wir uns auf die Suche begeben, wie wir dieses Problem lösen können. Es sind verschiedene Ideen zusammengekommen: Methan-Verbrennung, Kondensation, Luftbrunnen, Quanaten. Leider haben die Experten, bei denen wir nachgefragt haben, vom Thema abgeraten, zu anderen Kollegen verwiesen oder erst gar nicht geantwortet. Die Hoschschule Anhalt in Köthen würde uns gern unterstützen, aber erst zu Beginn 2018 - also nach dem Wettkampf. Wir mussten uns also im November für den Wettkampf ein neues Thema suchen. Dabei sind wir auf die Löschdrohnen gekommen.
Nach dem Wettkampf werden wir trotzdem das Tansania-Projekt angehen.

2. Forschungsprojekt: Löschdrohnenschwarm - Verbesserung des Weges des Wassers

Idee/Konzept

Problem

Bei Bränden auf Autobahnen, Landstraßen etc. stehen den Feuerwehrmännern keine Hydranten in unmittelbarer Nähe zur Verfügung. Sie müssen mit vollbeladenen Tanklöschfahrzeugen zum Einsatzort fahren. Wenn das Tanklöschfahrzeug leer ist, dann muss das Fahrzeug erst zum nächstgelegenen Löschteich oder ähnlichem gefahren werden, bevor weiter gelöscht werden kann. Auf Autobahnen besteht noch das Problem, dass es unter Umständen keine Rettungsgasse gibt, d.h. die Feuerwehr ist nicht so schnell dort. Der Weg des Wassers von der Wasserquelle zur Brandstelle muss optimiert werden.

Lösung

Unsere Lösung für das Problem könnten Löschdrohnen sein (sozusagen Ersthelfer für die Feuerwehr). Drohnen werden zur Zeit bei der Feuerwehr schon eingesetzt, für die Suche von Verletzten in einem Gebiet oder zum Halten eines Wasserschlauches bei Feuer in großer Höhe. Beide werden von einem Piloten gesteuert.
Weiterhin gibt es bereits Lastdrohnen, die bis 200 kg Last tragen können. Die Akkulaufzeit dieser Drohnen beträgt ca. 35-40 min und die Geschwindigkeit dieser Drohnen liegt bei 30-80 km/h.
Unsere Löschdrohnen sollen eigenständig fliegen, so wie vielleicht in naher Zukunft auch die Paketdrohnen.
Unsere Löschdrohnen bestehen aus einem Schwarm von mittleren Drohnen.
Die Löschdrohnen erhalten vom Einsatzleiter einen Löschbefehl, der die GPS-Koordinaten des Brandes beinhaltet. Die Drohnen verfügen über eine Daten- und Wissensbasis, die eine Liste aller Wasserquellen (z.B. Flüsse, Seen, Löschteiche) beinhaltet. Mit dem Navigationssystem, wird der optimale Weg zwischen Wasserquelle und Brandstelle berechnet. Für den ersten Weg muss natürlich die Startposition berücksichtigt werden. Die Drohnen fliegen zunächst zur Wasserquelle, dann zur Brandstelle. Dabei ist es wichtig, dass die Drohnen ihren Flug koordinieren, so dass es keine Zusammenstöße gibt. Da wäre ein Algorithmus ähnlich wie bei Zugvögel sinnvoll. Die Drohnen ordnen sich hinter der ersten (Leitdrohne) ein und halten einen spezifischen Abstand. Nicht in V-Form sondern eher in einer Linie.
Das Beladen des Wasserbehälters unter der Drohen kann mit Highspeed-Pumpen mit einem Filter (wir wollen keine Fische grillen) erfolgen oder wie beim Löschflugzeug, durch dichtes Überfliegen der Wasserquelle (Abschöpfen). Dabei hat der Tank eine halbseitig durchlässige Membran. Nur Wasser kann rein und nicht raus, außer durch ein Ablassen des Wassers durch die Drohne.
Jede Drohnen entleert ihren Wasserbehälter über der Feuerstelle. Eventuell kann auch ein Sprühaufsatz für das Ablassen des Wassers genutzt werden. Falls die Drohne gerade das Feuer gelöscht hat (erkennbar über Hitze- und Bildsensoren), gibt sie die Information an alle Drohnen im Schwarm weiter. Die Drohne, die jetzt als nächstes dran ist, sucht die nächste Hitzestelle und fliegt diese an um dort weiter zu löschen. Wenn die Bildsensoren eine Feuerstelle bestätigen, wird dort der Wasserbehälter entladen. Ansonsten wird weiter gesucht. Wenn in einem bestimmten Umkreis nichts mehr gefunden wird, ist der Einsatz beendet und die Drohnen fliegen zum Startplatz zurück. D.h. die suchende Drohne gibt, diese Information an den Rest des Schwarms weiter.
Wenn doch noch eine Feuerstelle gefunden wurde, wird die neue Position auch an den Drohnenschwarm weitergegeben.
Alle Drohnen müssen dann ihre Flugroute neu berechnen.

Verschiedene Brandarten

Der zuvor beschriebene Lösungsansatz gilt für offene Brände. Es müssen aber auch die Sonderfälle beachtet werden:

  • Für Brände in Container oder innerhalb eines Kraftfahrzeuges bringt die Löschung von außen erstmal nur eine Kühlung. Der Brand kann nicht gelöscht werden. In diesen Fällen werden zusätzliche Spezialdrohnen benötigt, die zunächst ein Loch in das zu löschende Objekt bohren. Erst dann kann gelöscht werden.
  • Ein weiterer zu berücksichtigender Punkt ist die Entwicklung einer Rauchgasexplosion. Hier müsste von einer Drohne zunächst ausgewertet werden (mittels Sensoren), ob es bei Öffnung des verschlossenen Objektes zu einer Rauchgasexplosion kommen kann.
  • Die Löschung von Bränden mit Elektroautos wurde jetzt noch nicht untersucht, da die Anzahl von Elektroautos auf den Autobahnen noch nicht so stark vertreten sind. Eine Wasserlöschung mit den Drohnen kommt aber nicht in Frage. Da wäre eine Löschdrohne gefüllt mit Pulver sinnvoller.

Bauplan

Lastdrohnen bilden die Basis, wie z.B. die Griff 300, die neben den auf der Grafik abgebildeten Module und mit einer Datenbank über die Positionen der möglichen Wasserquellen ausgerüstet ist.

Herausforderung für die Künstliche Intelligenz

Folgende Funktionen müssten programmtechnisch umgesetzt werden:

  • Berechnen von Flugrouten
  • Wetterbedingungen berücksichtigen
  • Optimierung von Wegen
  • optimale Höhe zum Ablassen des Wassers finden (nicht zu tief und nicht zu hoch)
  • dynamische Optimierung der Höhe beim Beladen (eventuelle Wellen)
  • Entscheidung, an der Position ist ein Feuer oder nicht
  • Auswertung von Temperatur- und Bildsensoren
  • Suche nach Feuerstellen
  • Kommunikation: Senden und Empfangen von Daten
  • Koordination: Verhindern von Zusammenstößen
  • wechselnde Hierarchie: Beim Start ist die erste Drohne die Leitdrohne, ansonsten die Drohne, die mit Wasser abwerfen dran ist.

D.h. die folgenden Ereignisse müssen verarbeitet werden:

  • Flugkorrektur (zu tief, zu dicht an Vorgänger-Drohne)
  • Positionsänderung von der Leitdrohne
  • Abbruch des Einsatzes durch Leitdrohne
  • Feuer gelöscht → Suche starten
  • zu niedriger Akkustand
  • Berechnung des nächsten Anflugpunktes (Auswahl zwischen Wasserstelle, Feuerstelle, Einsatzfahrzeug/Startpunkt)
  • Abbruch vom Einsatzleiter

Enwicklungsplan

Die Entwicklung dieser Drohne umfasst verschiedene Fachbereiche (Sensorik, KI-Algorhitmen, Drohnenbau inkl. Steuerungsmodul). Da ein Schwarm aus verschiedenen Funktionsdrohnen bestehen kann, sollte man mit nur einem Typ beginnen und die Erfahrungen und teilweise auch die Basisalgortihmen für die Entwicklung weiterer Typen nutzen. Aufgrund des Forschungsthemas und der Notwendigkeit, dass häufig Wasser an Brandstellne benötigt wird, würden wir empfehlen, mit der Wasserdrohnezu beginnen. Die ersten Entwicklungsschritte könnenn parallel ablaufen:

  • Entwicklung der Hardwarekomponenten: Tank, Sensorik, ...
  • Entwicklung und Simulation von Schwarmalgorithmen: Koordination, Abstandsregeln
  • Funktionsregeln: Abschöpfen von Wasser, Ablassen von Wasser oder Verspühen von Wasser
  • Algorithmen zur Auslesen von Sensorikdaten und deren Interpretation
  • Zusammenführen der einzelnen Ergebnisse zu einem Prototypen

Experten

  • Herr Jonko: Pumpsysteme
    • Möglichkeit eines kaskadierten Pumpsystem von Autobahnbrücken über Gewässern
    • Drohnenlösung effektiver und flexibler bzgl. der Baukosten an den Autobahnen
  • Herr Starke: Löschmethoden, Arbeitsweise Feuerwehr
    • Rückmeldung zur unserer Lösung: sehr interessante Lösung
    • Sonderfälle beachten: Innenraumbrand, Containerbrand
    • zum Befüllen des Tanks, lieber die Technik (Abschöpfen), wie beim Hubschrauber nutzen
    • Umsetzung nur möglich über ein interdiziplinäres Forschungsprojekt - prototypische Umsetzung nicht möglich im Rahmen dieses Wettkampfes
  • Karl Schnorr: Feuerlöschtechniken, Arbeitsweise Feuerwehr
  • Frau Prof. Mostaghim: KI-Algorithmen und Schwarmintelligenz
    • Rückmeldung zur unserer Lösung: sehr interessante und anspruchsvolle komplexe Lösung (Niveau einer Master-/Promotionsarbeit),
    • KI-Algorithmen bereits sehr gut ausgearbeitet
  • Herr Klose: Funktionsweise einer Membran relevant für
    • Wassergewinnung in Tansania und
    • bei der Feuerlöschdrohne zum Befüllen des Tanks
  • Herr Prof. Zug: Autonome Roboter, Sensorik
    • interessante Lösung (die umsetzbar ist) und ein sehr gutes Anwendunsszenario
    • komplexe Algorithmen notwendig, die es bis jetzt noch nicht so ausgereift gibt
    • Hinweise auf weitere benötigte Sensoren und Hochleistungsrechner
    • aktuelle Verfahren zur Erkennung der Drohnen untereinander (LEDs)
  • Berufsfeuerwehr Magdeburg Wache Nord :
    • interessante Lösung, aber das Anwendunsszenario ist sehr komplex (Innenbrände, Schadstoffe, ...) - verschiedene Werkzeuge werden benötigt, Wasser reicht alleine nicht aus
    • statt gleich Brandlöschung, aufladen der Fahrzeuge vor Ort mit Wasser- Feuerwehr setzt dann das Wasser ein
    • Lösung gut einsetzbar für Waldbrände: mehrere Brandstellen, die gleichzeitig gelöscht werden müssen, kein verfügbaren Wasserquellen
    • Verbesserungsvorschlag: umrüstbar für den Transport der schwererer Ausrüstung (Werkzeuge)

Quellen/Exkursion

  • diverse Webseiten im Internet
  • Bücher zur Feuerwehrtechnik
  • Fernsehsendungen:
    • Galileo: Sendung im Dezember 2017, kurzer Einspieler über eine manuelle Löschdrohne
    • Pur+
  • Besuch im Technikmuseum Magdeburg: Pumpsysteme
  • Besuch der Berufsfeuerwehr Wache Nord in Magdeburg

Ähnliche Lösungen

Worin unterscheidet sich unsere Lösung zu anderen Feuerlöschdrohnen?

  • arbeitet autonom
  • Schwarmlösung
    • kontinuierliche Wasseranlieferung
    • Schwarm ist um Spezialdrohnen erweiterbar, z.B. Durchstoßdrohnen, Pulverlöschdrohnen, Schaumlöschdrohnen, Rauchgasdetektoren, etc.
  • dadurch ist sie
    • effizienter (z.B. keine Bindung von Personal, kontinuierlicher 'Wasserstrom')
    • und flexibler einsetzbar (nicht an einen Ort gebunden)
    • kleiner als Löschflugzeuge und Hubschrauber, damit auch besser einsetzbar