Systemkonzept für ein autonomes Gleitschirmrettungssystem für LTA Plattformen

Transkript

1 Systemkonzept für ein autonomes Gleitschirmrettungssystem für LTA Plattformen Prof. Dr.-Ing. B.H.Kröplin Dipl.-Ing. Ralf Kornmann Dipl.-Ing. Jens Häcker Institut für Statik und Dynamik der Luft und Raumfahrtkonstruktionen Universität Stuttgart DGLR-Workshop: UAV- / UCAV- / MAV-Aktivitäten in Deutschland RDE, Bremen 21. und 22. April 24

2 Stratosphärenplattform Lighter-Than-Air -Höhenplattform Körberpreis 1999 Telekommunikationsaufgaben Flughöhe 2 km, ortsfest Autonome Operation Stationierungsdauer bis zu 3 Tagen Versuchsträger Airworm

3 Versuchsflüge AW1.3

4 Rettungssystem für unbemannte Höhenplattform

5 Gleitschirmrettungssystem Konzept eines Rettungssystem für die Nutzlast einer Höhenplattform Systemanforderungen Aerodynamik große Reichweite, hohe Fluggeschwindigkeit Gute Manövriereigenschaften Gutmütiges Abrissverhalten (Stall) Bordautonome Steuerung Auswahl eines Landegebiets Vermeidung von Hindernissen Zuverlässigkeit Schnelles sicheres Öffnen des Schirms, geringer Öffnungsschock Einsatz unter allen Wetterbedingungen (z.b. Landung bei starkem Wind)

6 erstes solar getriebenes Luftschiff halbstarre, extrem leichte Konstruktion Erprobungsträger für Forschergruppe Luftschiff (FOGL) Messplattform Solarluftschiff Lotte Länge: 16 m Maximaler Durchmesser: 4, m Gesamtvolumen: 19 m³ Ballonettvolumenanteil: ca. 18 % max. Flughöhe : ca. 14 m Solarzellenfläche : max. 4,68 m² Solare Leistung: max. 7 W max. Geschwindigkeit : 45 km/h max. Nutzlast : 15 kg Spitzenleistung Motor: 15 W Batteriekapazität: 64 Wh

7 Instrumentierung der Lotte im Flugversuch Messung von Anströmung und Lufttemperatur Kompass Bestimmung der Umschlagslage Temperatur der Solarzellen Daten-Feldbus CAN-Protokoll Messung der Bestrahlungsstärke Vermessung der Druckverteilung Kräfte und Momente am Antrieb Heliumtemperatur Sondenkopf Vierloch-Sonde IMU GPS Erfassung und Speicherung der Messdaten Strömungssicht barmachung Hecktopf mittlere Nutzlastgondel Telemetrie Messdaten und Steuersignale Motorschubmessun g Sensor Datenfeldbus zum zentralen Feldbus

8 Luftschiff-Autopilot Entwicklung eines Luftschiff Autopiloten im Rahmen der Forschergruppe FOGL Flugmechanische Modellbildung, Identifikation flugmechanischer Parameter im Flugversuch Eingriff in die manuelle Steuerung, automatischer Flugregler Autonomer Flug: Radius 35m

9 Rogallo Gleitschirm ROGALLO Gleitschirm entwickelt von Rogallo (1951, NACA) Gleitzahl (Doppelkiel höher) Rettungssystem für Gleitschirmflieger (u=3 km/h, w=3m/s) Vorzüge gegenüber Flächengleitschirm/Rundkappenfallschirm Einfaches Öffnungsverhalten Einfaches Handling (kein Reffsystem) Geringe Sinkrate (Landeflare ggf. nicht erforderlich) Stall tritt nicht auf Präzise steuerbar Große Lasten möglich NASA Rogallo Experimente gesteuerten Landung von Weltraumkapseln (Gemini, Apollo) Windkanaluntersuchungen und Flugversuch (A=37m 2, b=33.5m, m=2.7t) Versteifung mit Stangen oder aufblasbaren Strukturen ->Hanggleiter

10 Fallschirm Flugsimulation Simulationsmodell für die Flugführung: 4DOF Starrkörpermodell Geschw. horizontal (u), vertikal (v), rollen und gieren Steuerung beeinflusst Drehrate und Aerodynamik Parameter konfigurationsabhängig y z x Flugsegment Umweltmodell Manual Control Bremse Seite Joystick Switch Simulation Matlab/Simulink STATE d_break d_r d_r Simulationssteuerung em d_turn d_l d_l STATE STATE Ansteuerung Flight Instruments Ethernet UDP/IP 3D Visualisierung wind STATE Wind vel Fallschirmdynamik Systemparameter Wind Model Heading C Position C STATE u w φ Downlink Telemetrie Control Selector Automatic Control Uplink Kommando ψ Bodensegment Steuerungskonsole Moving Map Joystick für manuelle Kontrolle RS232 automatischer Steuerungsalgorithmus

11 Umweltmodel 2 x Windprofil:11 (Mean,Std) Höhe [m] Windprofil ( ) x Höhe [m] x x 1 4 Norden [m] Osten [m] x 1 4 Simulation des Abwurfs ungesteuerter Rundkappenschirme aus 2km Höhe (Stuttgart, Winddaten März 22) Norden Osten x Fallschirmabwürfe ( ) Windgeschwindigkeit [m/s] u [m/s] nach Norden v [m/s] nach Osten 4 Norden [m] Windprofil Stuttgart/Schnarrenberg 19.März 22, 12: Uhr Osten [m] x 1 4 zufällige Streuung der Landepunkte >35 km (CEP)

12 Steuerungskonzept Flugphasen [1] Abwurf: Hauptschirm (steuerbarer Gleitschirm) entfaltet sich [2] Anflug der Landezone auf optimaler Trajektorie: Abschätzung von Windrichtung und Geschwindigkeit aus realen Flugdaten und Messdaten aus Wetterballonaufstiegen und Prognosen zur Berechnung von Wegpunkten für einen gesteuerten Abstieg [3] Abstieg: Flugmanöver zum Abbau der Höhe [4] Endanflug: Einschwenken in den Landekorridor [5] Landung: Drehen in den Wind und Landeflare zur Verzögerung des Aufsetzens Flugmodi der Steuerung Vollautonome Steuerung Teilautonome Steuerung mit manueller Übernahme im Zielgebiet Manuelle Fernsteuerung

13 Fallschirm Flugversuche Fesselballonabwurf 25 2 Höhe [m] Schleppversuch Helikopterabwurf

14 Systemkonzept für ein autonomes Gleitschirmrettungssystem für LTA Plattformen Institut für Statik und Dynamik der Luft und Raumfahrtkonstruktionen Direktor: Prof. Dr.-Ing. habil. B.H.Kröplin Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 27 D-7569 Stuttgart Tel.: +49 () Fax.: +49 () URL: (Ralf Kornmann) (Jens Häcker)