Anwendungspraxis von ferngesteuerten akustischen Geräten auf UAVs

Mit der tiefgreifenden Durchdringung der UAV-Technologie in verschiedenen Bereichen haben ihre Merkmale einer hochauflösenden Perspektive und flexiblen Mobilität wichtige Stützen in Szenarien wie der Sicherheitsüberwachung, der Notfallrettung und dem öffentlichen Management werden lassen. Die traditionellen Funktionen von UAVs konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf die Bildaufnahme und Datenübertragung und verfügen über keine effizienten akustischen Interaktions- und Abschreckungsfunktionen. Aufgrund der Kernvorteile der Richtschallübertragung und Fernsteuerung bilden ferngesteuerte akustische Geräte gemeinsam mit UAVs ein kooperatives System aus „Luft, Raum und Erde“, das den Mangel an schallbasierter Interaktion bei UAVs wirksam ausgleicht und deren Anwendungswert in komplexen Szenarien weiter erweitert.

I. Anwendungsszenarien von Fernakustikgeräten für UAVs

Die Kombination aus ferngesteuerten akustischen Geräten und UAVs passt exakt zu den folgenden vier Kerananwendungen und löst praktische Betriebsprobleme in unterschiedlichen Bereichen:

• Szenarien der öffentlichen Sicherheit und Überwachung: Bei Großveranstaltungen (wie Konzerten und Sportveranstaltungen) können Drohnen, die mit ferngesteuerten akustischen Geräten ausgestattet sind, in Echtzeit Ankündigungen zur Aufrechterhaltung der Ordnung abspielen (z. B. „Bitte halten Sie die örtliche Ordnung ein und drängeln Sie nicht“). Während städtischer Sicherheitspatrouillen können sie bei auffälligen Situationen wie der Ansammlung verdächtiger Personen oder Gegenständen in großer Höhe gezielt Warnhinweise in Richtungsstrahlung aussenden und gleichzeitig die Lage vor Ort an das Bodenkommandozentrum übertragen. In sensiblen Bereichen wie Flughäfen und Bahnstrecken können sie Luftabschreckung gegen illegale Eindringlinge (wie Personen oder Fahrzeuge, die auf die Landebahn eindringen) durchführen.
• Einsatzszenarien bei Notrettungen: Nach Katastrophen wie Waldbränden, Überschwemmungen und Erdbeben können UAVs schnell das betroffene Gebiet erreichen. Mithilfe ferngesteuerter akustischer Geräte können sie Rettungsrouten an die eingeschlossenen Personen übermitteln (z. B. „Bitte begeben Sie sich in Richtung Südosten auf höher gelegenes Gelände, das Rettungsteam ist eingetroffen“) und Wissen zur sicheren Risikovermeidung vermitteln. Bei der maritimen Suche und Rettung können sie Positionshinweise an ins Wasser Gefallene ausspielen (z. B. „Weiter treiben lassen, das Rettungsschiff nähert sich“) und gleichzeitig dem Bodenteam helfen, die Zielposition zu lokalisieren. Bei der Suche nach vermissten Personen in bergigen Regionen können sie Vermisstenmeldungen wiederholt abspielen, um die Informationsreichweite zu erweitern.
• Ökologische Schutz- und Tierkontrollszenarien: In Naturschutzgebieten können Drohnen, die mit ferngesteuerten akustischen Geräten ausgestattet sind, Warnsignale an illegale Wilderer aussenden, um eine luftgestützte Abschreckung zu gewährleisten. In Bereichen wie Flughäfen und landwirtschaftlichen Flächen können sie die Laute natürlicher Feinde (wie beispielsweise die Rufe von Raubvögeln) oder spezifische Frequenzschallwellen simulieren, um ökologisches Vogelabschrecken zu erreichen, um Kollisionen zwischen Vögeln und Flugzeugen sowie Ernteschäden durch Vögel zu vermeiden. Bei der Überwachung von Wildtierwanderwegen können sie Warnlaute für Tiere abspielen, die menschliche Aktivitätsbereiche betreten, um Konflikte zwischen Mensch und Wildtieren zu reduzieren.
• Öffentliche Dienstleistungen und Werbeszenarien: Bei Notfallkommunikationen wie städtischer Epidemieprävention und Hochwasserschutz können Drohnen Geräte tragen, um in Wohngebieten und Straßen Policy-Hinweise kontinuierlich zu verbreiten (z. B. „Bitte führen Sie den Nukleinsäuretest rechtzeitig durch und achten Sie auf den persönlichen Schutz“). In ländlichen Gebieten können sie technische landwirtschaftliche Anleitungen und politische Erklärungen an die Dorfbewohner weitergeben. An touristischen Sehenswürdigkeiten können sie Sicherheitshinweise für Reisende verbreiten (z. B. „Bitte weichen Sie nicht von der vorgesehenen Route ab und achten Sie auf Rutschgefahr“) sowie Appelle zu einem zivilisierten Verhalten im Tourismus.

II. Kernkundenbedürfnisse in Drohnenszenarien

In Drohnen-Anwendungsszenarien drehen sich die Kundenanforderungen an ferngesteuerte akustische Geräte um „Leichtgewicht, Effizienz und Stabilität“, was sich konkret wie folgt äußert:

• Geringes Gewicht und niedrige Belastungsanforderungen: Die effektive Nutzlast von UAVs ist begrenzt (meist 1–5 Kilogramm). Daher müssen ferngesteuerte akustische Geräte kompakt und leicht sein (üblicherweise unter 3 Kilogramm gehalten). Sie können am UAV-Gehäuse oder der Halterung integriert werden, ohne die Flugdauer (die einen Einzelflug von mehr als einer halben Stunde sicherstellen muss) und die Steuerstabilität des UAVs zu beeinträchtigen. Gleichzeitig unterstützen sie eine schnelle Demontage und Montage, um die Wartung der Ausrüstung zu erleichtern.
• Die Anforderungen an die Übertragung von klarem Ton über große Entfernungen: Die Betriebshöhe von UAVs beträgt meist 50 - 100 Meter. Daher ist das Gerät erforderlich, um in einer Höhenumgebung eine Fernübertragung zu erreichen. Die effektive Schallübertragungsdistanz in einem ungehinderten Szenario beträgt mindestens 1000 Meter, und das Sprachsignal hat keine Verzerrung und kein Lärm. Selbst bei Wind, Regen und Lärm können die Bodenpersonal die Informationen deutlich empfangen. Für bestimmte Ziele ist eine Richtungsschallübertragung erforderlich, um zu vermeiden, dass die Schalldiffusion in nicht verwandte Bereiche eingreift.
• Fernsteuerungs- und Koordinierungsanforderungen: Es unterstützt die Fernbedienung über die UAV-Fernbedienung oder die Bodenkommando-Plattform, einschließlich Lautstärkeregelung, Wiedergabe vordefinierter Sprachnachrichten und Echtzeit-Spracheingabe. Für die Einstellung ist kein manueller Zugriff auf das UAV erforderlich. Gleichzeitig muss es mit der GPS-Positionsbestimmung, der hochauflösenden Kamera und dem Infrarotsensor des UAV verbunden sein. Wenn der Sensor ein Ziel erkennt (z. B. verletzte Personen oder auffällige Objekte), löst er automatisch die akustische Einrichtung aus.
• Umweltbedingte Anpassungsfähigkeit und Sicherheitsanforderungen: UAVs arbeiten hauptsächlich in komplexen Außenbereichen. Daher muss das Gerät wasserdicht, staubdicht, winddicht sowie beständig gegen hohe und tiefe Temperaturen sein, dem Schutzgrad IP65 entsprechen und stabil im Temperaturbereich von -40 °C bis 60 °C sowie bei Windstärken unter Grad 6 funktionieren können. Gleichzeitig muss es eine geringe Stromaufnahme aufweisen und direkt an das Stromversorgungssystem des UAVs angeschlossen werden können, um den Betrieb nicht durch häufiges Aufladen zu beeinträchtigen. Bei der Schallintensitätssteuerung muss es den Umweltschutzstandards entsprechen, um Hörbeschädigungen bei Personen und Tieren zu vermeiden.

III. Kernmerkmale ferngesteuerter akustischer Geräte, angepasst an UAVs

Um die Anforderungen von UAV-Szenarien zu erfüllen, müssen ferngesteuerte akustische Geräte folgende gezielte technische Eigenschaften aufweisen, um eine effiziente Zusammenarbeit mit UAVs sicherzustellen:

• Ultraschlechtes Leichtgewichtsdesign: Das Gehäuse besteht aus hochfesten, leichten Materialien (wie Kohlefaser und technischen Kunststoffen). Das Gesamtvolumen des Geräts wird auf maximal 20 cm × 20 cm × 20 cm begrenzt, das Gewicht beträgt nicht mehr als 3 kg. Gleichzeitig wird die strukturelle Anordnung optimiert, um den Flugwiderstand zu verringern und negative Auswirkungen auf die aerodynamischen Eigenschaften der Drohne zu vermeiden. Einige Geräte verfügen über ein modulares Design, bei dem Komponenten (wie zusätzliche Batterien oder gerichtete Schallübertragungsmodule) je nach Einsatzanforderung hinzugefügt oder entfernt werden können, wodurch die Anpassungsfähigkeit erhöht wird.
• Hohe Schalldruckpegel und breites Frequenzband-Ausgangssignal: Der Schalldruckpegel kann 130 dB bis 150 dB erreichen und deckt das für das menschliche Ohr empfindliche Frequenzband von 200 Hz bis 20000 Hz ab, wodurch sichergestellt wird, dass das Sprachsignal klar erkennbar ist. Ein professioneller akustischer Algorithmus optimiert den Schallwellen-Übertragungsweg, um die Luftdämpfung zu reduzieren. Selbst in einer Höhe von 50 Metern können die Bodenkräfte die Sprachinformationen noch deutlich empfangen. Gleichzeitig unterstützt das System mehr als 10 Stufen der Lautstärkeeinstellung, um sich an die Anforderungen unterschiedlicher Szenarien anzupassen.
• Geringer Stromverbrauch und Multi-Power-Anpassung: Es wird ein energiesparender Chip und eine energieschonende Schaltkreisgestaltung verwendet. Der Betriebsstromverbrauch liegt unter 8 W, der Standby-Verbrauch unter 2 W. Das Gerät kann direkt an das Lithium-Batterie-Stromversorgungssystem der Drohne angeschlossen werden, ohne dass eine zusätzliche Notstromversorgung erforderlich ist. Einige Geräte verfügen über eine integrierte kleine Backup-Batterie, die den kontinuierlichen Betrieb des Geräts für mehr als 1 Stunde sicherstellt, wenn die Stromversorgung der Drohne unterbrochen wird, wodurch gewährleistet ist, dass die Übertragung wichtiger Informationen nicht unterbrochen wird.
• Starke Umweltverträglichkeit: Das Gehäuse erfüllt den Schutzstandard IP65 und widersteht Regen und Staub. Gleichzeitig verfügt es über Windfestigkeit (es kann stabil bei Windstärken unterhalb von Grad 6 arbeiten) sowie Beständigkeit gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen (es funktioniert normal im Temperaturbereich von -40 °C bis 60 °C). Die interne Schaltung weist eine Anti-Elektromagnetische-Störungen-Konstruktion auf, um Beeinträchtigungen durch elektromagnetische Signale des UAV-Kommunikationsmoduls und des Motors zu vermeiden und eine stabile Schallübertragung sicherzustellen.

IV. Integrationslösungen von ferngesteuerten akustischen Geräten mit anderer Ausrüstung

Im UAV-System müssen ferngesteuerte akustische Geräte mit einer Vielzahl von Geräten integriert werden, um ein kooperatives System aus „Wahrnehmung – Entscheidung – Ausführung“ zu bilden. Die konkreten Integrationslösungen lauten wie folgt:

• Integration mit Wahrnehmungsausrüstung: Sie wird mit der hochauflösenden Kamera, dem Infrarot-Wärmebildgerät und dem Laserradar der UAV verknüpft. Wenn die Kamera abnormale Situationen wie „Personenansammlung“ und „rechtswidrigen Eindringling“ erkennt oder das Infrarot-Wärmebildgerät Lebenszeichen im Katastrophengebiet detektiert, löst sie automatisch die ferngesteuerte akustische Vorrichtung aus, um die entsprechende Sprachnachricht abzuspielen (z. B. „Hier ist das Versammeln verboten, bitte sofort evakuieren“ und „Das Rettungspersonal hat Sie gefunden, bitte bleiben Sie ruhig“). Das Laserradar kann die Zielentfernung präzise messen und unterstützt die Vorrichtung dabei, die Schallintensität automatisch anzupassen, um sicherzustellen, dass der Ton im Zielbereich deutlich hörbar ist.
• Integration mit Kommunikationsgeräten: Es wird mit dem 4G/5G-Kommunikationsmodul oder Satellitenkommunikationsmodul der Drohne verbunden, um die Steuerung über ultralange Distanzen zu ermöglichen. Wenn die Drohne in abgelegenen Gebieten ohne öffentliche Netzsignale (wie beispielsweise in Bergregionen oder über Ozeane) operiert, können die Bodenmitarbeiter Befehle (wie das Wechseln des Betriebsmodus oder das Aktualisieren der vorab aufgezeichneten Sprachnachricht) über die Satellitenverbindung an das akustische Gerät senden. Das Gerät kann den Arbeitsstatus (wie Batterieladung, Lautstärke und Fehlermeldungen) in Echtzeit an die Bodenkontrollplattform zurückübertragen, um eine Fernüberwachung und Fehlerbehebung zu erleichtern.
• Integration mit Positions- und Navigationseinrichtungen: In Kombination mit dem GPS/Beidou-Positionsbestimmungssystem der Drohne wird automatisch in einen leisen Modus gewechselt, sobald die Drohne einen voreingestellten sensiblen Bereich betritt (z. B. den Luftraum über Schulen und Krankenhäusern), um störende Geräusche zu vermeiden. Weicht die Drohne von der vorgesehenen Flugroute ab (z. B. aufgrund von Windkräfte außerhalb des Rettungsbereichs), gibt das Gerät sofort eine Warnmeldung über eine Positionsabweichung aus und sendet einen Alarm an die Bodenstation, um dem Bediener bei der Routenkorrektur zu helfen.
• Integration mit Warneinrichtungen: Sie wird mit dem LED-Warnlicht und Blitzlicht der Drohne verknüpft, um einen „Licht-Schall-Koordinations“-Effekt zu erzielen. Wenn das ferngesteuerte akustische Gerät den Warnmodus startet, wird synchron dazu das Warnlicht eingeschaltet (z. B. rotes Blinklicht). Durch die doppelte sensorische Stimulation von Sehen und Hören wird die Warnwirkung auf das Ziel verstärkt. Beispielsweise kann im nächtlichen Rettungseinsatz die „Licht-Schall-Koordinierung“ dabei helfen, dass sich verschüttete Personen schnell an der Position der Drohne orientieren können, wodurch die Effizienz der Rettungsmaßnahmen gesteigert wird.

V. Kernvorteile der Kombination von ferngesteuerten akustischen Geräten und Drohnen

Im Vergleich zu herkömmlichen bodengestützten akustischen Geräten oder allein operierenden Drohnen entfaltet die Kombination aus ferngesteuerten akustischen Geräten und Drohnen in vielen Bereichen deutliche Vorteile:

• Erweiterung des Einsatzbereichs und der Effizienz: Drohnen können große Flächen schnell abdecken (ein einziger Einsatz kann mehr als 10 Quadratkilometer umfassen). In Kombination mit ferngesteuerten akustischen Geräten ist die Informationsübertragungsrate 5 bis 10 Mal höher als bei manueller Ansprache vor Ort. Beispielsweise können in einer 5 Quadratkilometer großen Gemeinde innerhalb von 1 Stunde durch den Einsatz von Drohnen in Verbindung mit diesen Geräten alle Bereiche vollständig erreicht werden, während die manuelle, zu Fuß durchgeführte Information 1 bis 2 Tage dauert.
• Verbesserung der Betriebssicherheit: In gefährlichen Szenarien (wie Brandorten und Bereichen mit giftigen Gasaustritten) können Drohnen Personal ersetzen, um in Hochrisikobereiche vorzudringen. Ferngesteuerte akustische Geräte ermöglichen es dem Bodenpersonal, Informationsübertragung und Abschreckung durchzuführen, ohne sich gefährlichen Umgebungen nähern zu müssen, wodurch das Risiko von Personalschäden erheblich reduziert wird. Zum Beispiel können Drohnen bei einer Explosion in einem Chemiewerk mit Geräten ausgestattet werden, um Evakuierungshinweise am Ort des Geschehens zu verbreiten, und vermeiden so das Vergiftungsrisiko für Rettungskräfte.

Präzisen Betrieb sicherstellen: Durch die gerichtete Schallübertragungstechnologie und die präzise Positionsbestimmungsfähigkeit von Drohnen kann der Schall gezielt an den Zielbereich übertragen werden, wodurch Ressourcenverschwendung und störende Umwelteinflüsse durch Schallverbreitung vermieden werden. Zum Beispiel können Drohnen im Szenario der Vogelabwehr auf Flughäfen den Landebereich gezielt mit vogelabweisenden Schallwellen abdecken, ohne die umliegenden Wohngebiete zu beeinträchtigen.

• Betriebskosten senken: Ein UAV in Kombination mit einer ferngesteuerten akustischen Vorrichtung kann die Arbeitslast von 3 bis 5 Bodenmitarbeitern ersetzen. Zudem sind die Kosten pro einzelner Flug (Strom, Wartung) des UAV niedriger als die Personalkosten. Langfristiger Einsatz kann Investitionen in Arbeitskräfte und Zeit erheblich reduzieren. Beispielsweise kann ein UAV im städtischen Sicherheitsdienst die Streifenpatrouillen von 3 bis 4 Straßen abdecken, wodurch die Kosten im Vergleich zu manuellen Patrouillen um mehr als 40 % gesenkt werden.

VI. Anwendungsfälle ferngesteuerter akustischer Vorrichtungen auf UAVs

Fall 1: Kollaborative Anwendung von UAV-Vogelabschreckung und ferngesteuerten akustischen Vorrichtungen an Flughäfen

Ein internationaler Flughafen führte 10 industrietaugliche UAVs ein, die jeweils mit einer ferngesteuerten akustischen Vorrichtung sowie einer hochauflösenden Kamera und einem GPS-Positionsbestimmungssystem ausgestattet sind. Während des täglichen Betriebs patrouillieren die UAVs gemäß voreingestellter Routen um die Start- und Landebahnen sowie die Vorfelder des Flughafens. Sobald die Kamera ein Vogelaufkommen erkennt, schaltet die ferngesteuerte akustische Vorrichtung automatisch in den Richtmodus und gibt das Geräusch von simulierten Raubvögeln (z. B. Schreie von Adlern) wieder. Gleichzeitig wird in Kombination mit Ultraschallwellen bestimmter Frequenz eine ökologische Vogelvertreibung erreicht. Falls die Vögel nicht rechtzeitig abziehen, kann über die Bodenstation die Schallintensität und -art ferngesteuert angepasst werden, um die Vertreibung fortzusetzen. Zudem können die UAVs während der Hochphase von Starts und Landungen in einer Höhe von 50 Metern über der Startbahn kreisen und mittels Sprachdurchsage an die Umgebung warnen: „Das Betreten des Flughafensicherheitsbereichs durch unbemannte Luftfahrzeuge ist verboten“, um so unerlaubte Eindringlinge unter UAVs zu verhindern. Nach der Implementierung dieses Konzepts sank die Zahl der Vogelschlagvorfälle am Flughafen um 90 %, und die Kosten für die Vogelabwehr reduzierten sich im Vergleich zur traditionellen bodengestützten Abwehrtechnik um 60 %.

Fall 2: Praktische Anwendung von Drohnen für Waldbrandeinsätze und ferngesteuerte akustische Geräte

Bei einer Waldbrandrettung in einem bergigen Gebiet setzte das Rettungsteam 5 Rettungs-Drohnen ein. Jede Drohne war mit einem ferngesteuerten akustischen Gerät, einem Infrarot-Wärmebildgerät und einem Satellitenkommunikationsmodul ausgestattet. Die Drohnen erfassten schnell die Brandlage aus der Luft. Sobald das Infrarot-Wärmebildgerät Personen, die in der Nähe des Brandgebiets eingeschlossen waren, erkannte, wurde das ferngesteuerte akustische Gerät sofort aktiviert und spielte die Sprachanweisung „Bitte bewegen Sie sich in Richtung Nordwesten in den feuerfreien Bereich, dort hat das Rettungsteam einen vorübergehenden Schutzraum eingerichtet“ in diesem Bereich ab. Gleichzeitig übermittelte das Gerät über die Satellitenverbindung die Standortdaten der Eingeschlossenen an das Bodenkommandozentrum, um dem Rettungsteam bei der Planung der Rettungsroute zu helfen. In Gebieten, in denen sich das Feuer rasch ausbreitete, konnten die Drohnen bis zu einem Kilometer vor der Brandfront patrouillieren und Warnhinweise wie „Das Feuer wird sich kurzfristig auf den Bereich XX ausdehnen, bitte evakuieren Sie unverzüglich entlang der vorgegebenen Route“ an die umliegenden Dörfer senden, um die Dorfbewohner bei einer rechtzeitigen Evakuierung zu unterstützen. Durch die Kombination aus ferngesteuertem akustischem Gerät und Drohne gelang es dem Rettungsteam, innerhalb von 3 Stunden 12 eingeschlossene Personen zu lokalisieren, ohne dass Verletzungen entstanden. Die Effizienz der Informationsübertragung war dabei achtmal höher als bei herkömmlicher terrestrischer Lautsprecherdurchsage.