Auf optimalem Kurs – KI in der Luftfahrt

KI in der LuftfahrtVöllig losgelöst - jedenfalls von normalen Flugrouten. Mit Segelfliegern wird das getestet. Foto: Universität Stuttgart

IdeenwerkBW-Schwerpunkt neue Anwendungen der Künstlichen Intelligenz (KI) (2): Forscher der Universität Stuttgart nutzen KI in der Luftfahrt für die Optimierung von Flugrouten.

Berichte über Robotaxis und Drohnen als neue Formen der Mobilität sind en vogue. Das Institut für Flugmechanik und Flugregelung (IFR) der Universität Stuttgart beschäftigt sich jenseits des Medienhypes mit der Mobilität in der dritten Dimension. Dazu zieht man ein altbekanntes Flugobjekt heran: das Segelflugzeug.

Mit Segelflugzeugen die Möglichkeiten Künstlicher Intelligenz zu erforschen, das ist seit einem guten Jahr der Plan von Pascal Groß und Stefan Notter. Noch sind sie damit Exoten auf ihrem Gebiet. Am Anwendungsfall Segelfliegerei wollen die Forscher unter Institutsleiter Walter Fichter Erkenntnisse gewinnen, die dazu beitragen sollen, den künftigen Luftverkehr ökologisch effizienter zu gestalten.

KI in der Luftfahrt erlaubt ganz andere Routen

Walter Fichter, der Leiter des Instituts für Flugmechanik und Flugregelung. Foto: Roeder

Die Möglichkeiten der Künstlichen Intelligenz (KI) erweitern das Spek­trum, in dem der Flugverkehr gelenkt werden kann. Diese neuen Methoden untersuchen die Wissenschaftler im Pfaffenwaldring 27 in Stuttgart. Man folge der populären Welle nicht blindlings, sondern versuche KI in den klassisch systemtheoretischen Kontext einzuordnen, sagt Fichter. Der Leiter des IFR mit jahrzehntelanger industrieller Erfahrung bei Airbus Defence and Space und Mitsubishi Electric beschäftigt sich mit dem energieoptimalen Fliegen. Ein höherer Automatisierungsgrad bis hin zum autonomen Fliegen soll zum Ziel einer umweltfreundlicheren Luftfahrt beitragen. „Wir sind aber eigentlich Anwender“, sagt Fichter. Konkret entstehen am Institut unter anderem die Algorithmen für „Urban Air Mobility Vehicles“, also Flugtaxis wie Volocopter und City Airbus.

Ob unterhalb der Wolkendecke oder im All: Die Fragestellungen und Probleme seien ähnlich, sagt der Institutsleiter und ergänzt lachend: „Wir finden halt Segelfliegen super.“ Doch außer dem Spaßfaktor und der wissenschaftlichen Neugier hat die Wahl des Gefährts fundierte Gründe: Das Segelfliegen ist vielschichtig, verlangt Abwägung, Erfahrung und Empfindung. Alles dreht sich um Aufwinde und Thermik und deren möglichst intelligente Nutzung. „Zudem sind die Regularien und Genehmigungsverfahren nicht so streng“, ergänzt sein Mitarbeiter Groß: „Der Weg zur Umsetzung ist daher viel kürzer als in der kommerziellen Luftfahrt.“

Fichter beschreibt die Herausforderung: „Als Pilot müssen Sie vieles leisten. Speziell beim Segelfliegen ist das mit allen Sinnen und Erfahrungen verknüpft, Sie müssen sich mit Wetter und Geländebedingungen auskennen, weil alles noch fordernder ist als in der motorisierten Fliegerei.“ So sei die Überzeugung gereift, dass die hier geforderten Parameter sich als Messlatte auf breiter Ebene eigneten. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI) für zwei Jahre gefördert.

Kombination mit der bisherigen Regelungstechnik

Wie immer bei neuen Methoden stelle sich auch für die Flugregelung die Frage, wo der Ansatzpunkt für KI in der Luftfahrt eigentlich sei. „Wir sind gerade dabei zu untersuchen, wie man klassische Regelungstechnik nutzbringend mit Methoden aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz – insbesondere des Maschinellen Lernens – vereinen kann“, sagt Notter. Fichter betont die notwendige Offenheit im Ergebnis.

„Die Regelungstechnik hat ihre Ursprünge in den 1940er Jahren und hat seither viele Wellen mit neuen Methoden durchlebt. Diese wurden immer kritisch beäugt, dann hat es eine Weile gedauert und die neuen Methoden haben ihre Anwendungen und Nischen gefunden.“ Natürlich hofft man im IFR, eine solche Nische mit den neuen Verfahren erfolgreich besetzen zu können, zumal im ersten Jahr Ergebnisse vorliegen, die zumindest in einem abgegrenzten Bereich vielversprechend aussehen.

Der Wettbewerbs-Segelflug ist ein gutes Vorbild

„Wir halten es für spannend, das Szenario des Wettbewerb-Segelflugs, das in mancherlei Hinsicht einem Brettspiel gleicht, mit Methoden des Maschinellen Lernens zu automatisieren“, sagt Notter. „Dabei sind wir vorsichtig optimistisch, mit diesem Verfahren Gleichstand mit dem zu erreichen, was ein guter mensch­licher Pilot zu leisten imstande ist.“ Es sei eine echte Herausforderung, dem mathematischen Optimum nahe zu kommen: „Bei einem Szenario, in dem wir alle Randbedingungen kennen, alle Informationen haben, können wir ein optimales Verhalten zwar mühsam, aber sehr gut auch mit klassischen Verfahren errechnen, weil wir wissen, wie sich ein Flugzeug in ruhiger Atmosphäre verhält.“ Gebe es aber zusätzliche Umgebungsbedingungen, etwa in Form einer Aufwindverteilung, die zunächst nicht bekannt sind, könne man sich durch bestärkendes Lernen, einer Form von maschinellem Lernen, dennoch einer optimalen Lösung annähern.

„Diese optimale Lösung basiert darauf, dass wir vorher schon wissen, wie die Umgebung genau aussieht. Und obwohl unser Agent, der mit bestärkendem Lernen trainiert wurde, das nicht weiß, ist er trotzdem in der Lage, sich auf Basis seiner gesammelten Erfahrungen sinnrichtig in dieser zunächst unbekannten Umgebung zu bewegen.“ Die Wissenschaftler am IFA halten diese Form von KI in der Luftfahrt für eine geeignete Methode, „weil wir es eben mit einer unbekannten Atmosphäre zu tun haben, die wir davor mit unseren mathematischen Methoden schwer modellieren können“.

KI in der Luftfahrt braucht massenhaft Daten

Um vorhersagen zu können, unter welchen Bedingungen Aufwinde auftreten, braucht es massenhaft Daten. Weil die Segelflieger ihre Überlandflüge allesamt aufzeichnen und die Daten zugänglich sind, können Groß und Notter mehr als 26 000 Segelflüge mit über 110 Millionen Positionsmessungen auswerten. „Es wird alle paar Sekunden gemessen, wo das jeweilige Flugzeug gerade ist.“ Zusätzlich zu diesen Daten können die Wissenschaftler auf die Daten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) zugreifen, die oftmals sogar auf die Stunde aktuell sind. „Allein das sind mehrere Gigabyte pro Tag.“

Diese Datenmengen, die sich oft auf unterschiedliche Koordinatensysteme beziehen, müssen via Softwareprogramm aufeinander abgestimmt werden. Das ist knifflig, aber genau die Stärke des Instituts: „Wir sind hier sehr auf Algorithmen fokussiert. Die entwerfen wir aber nicht nur, vielmehr geht es uns darum, sie zu implementieren, um sie testen zu können.“

Eine konkrete Anwendung ist für Katastropheneinsätze im Blick

Ein Folgeprojekt, in dem es bei der KI in der Luftfahrt um die unmittelbare Anwendung geht, ist schon beantragt: Gerade bei Katastropheneinsätzen wie bei Waldbränden ist die Energiebilanz wichtig, um möglichst lange in der Luft bleiben zu können. „Hier ist der Clou, dass mehrere unbemannte Flugzeuge sich ergänzen sollen“, sagt Notter. Klar ist schon jetzt, dass das Nutzen von Aufwinden viel Sprit spart. „Somit kann das unbemannte System wesentlich mehr Nutzlast mit sich führen oder eben deutlich länger fliegen.

Die Forschung von Notter und Groß ist ein Beispiel, wie aus dem rein wissenschaftlichen Interesse daran, wie sich die in der Atmosphäre vorhandene Energie nutzen lässt, ein konkret ingenieurtechnisch getriebenes Projekt entsteht. Mit im Boot des Projektes mit kleinen Flächenflugzeugen ist die Firma Acentiss, spezialisiert auf sicherheitskritische Systeme in den Bereichen Luftfahrt, Automotive und Medizintechnik und eine Tochter der IABG, mit Zweigniederlassung in Stuttgart.

Apropos autonom und elektrisch: Was für die Straße gilt, gilt mit anderen Para­metern ähnlich auch für die Luft. Seit Februar läuft unter Federführung des IFR und Mitwirkung einiger Firmen aus dem Land ein Projekt, mit dessen Hilfe in Baden-Württemberg ein Testfeld für autonomes und elektrisches Fliegen entstehen soll.

Das Institut für Flugmechanik und Flugregelung (IFR)
Diese Einrichtung der Universität Stuttgart widmet sich dem Fliegen – im All, über und unter den Wolken. Die Forschung verfolgt zum Beispiel neueste Methoden auf dem Gebiet autonomes und intelligentes Fliegen oder verbessertes Helikopterfliegen.  Auch die KI in der Luftfahrt gehört inzwischen dazu.
Walter Fichter leitet das IFR seit April 2007. Er ist Spezialist für Satelliten und In­strumente und kann auf 17 Jahre Industrieerfahrung zurückgreifen bei MBB, Dornier (heute Airbus Defence and Space) und der Mitsubishi Electric Corporation in Japan.
14 Patente gehen auf ihn zurück. Seine Interessen in der Forschung betreffen vor allem autonome und unbemannte Luftfahrzeuge, Flugsteuerungen für städtische Luftfahrtgeräte und optional pilotierte Flugzeuge sowie Dynamik und Steuerung von Hubschraubern. Unter anderem ist Fichter Associate Fellow des American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) und Mitglied des Advisory Board des AIAA „Journal of Guidance, Control, and Dynamics“. Als aktiver Pilot ist er auch ein Mann der Praxis.
Fichters wissenschaftliche Mitarbeiter Pascal Groß (30) und Stefan Notter (30) haben sich auf Flugführung und Regelungstechnik in der Luft- und Raumfahrt spezialisiert und wollen über ihre aktuellen Forschungen zum energieeffizienten Segelflug promovieren.

Der erste Teil des Schwerpunkts erschien am 2.4.

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