Systemkonzept und Flugerprobung eines VTOL UAV Demonstrators

Transkript

1 Systemkonzept und Flugerprobung eines VTOL UAV Demonstrators Vortrag von F. Thielecke, J. Dittrich, A. Bernatz DLR - Institut für Flugsystemtechnik Braunschweig Folie 1

2 Inhalt Motivation und Ziele Basishubschrauber Systemkonzept und Avionik Modellierung & Flugregler Bodenstation und Missionsmanagement On-board Kamera-System und bildgestützter Schwebeflug Zusammenfassung DLR-Institut für Flugsystemtechnik (Thielecke) Systemkonzept und Flugerprobung eines VTOL UAV Demonstrators Folie 2

3 ARTIS Projekt - Motivation und Ziele Autonomous Rotorcraft Testbed for Intelligent Systems Entwicklung einer low-cost VTOL UAV Testplattform für die Untersuchung von autonomen intelligenten Funktionen Flugerprobung von Schlüsseltechnologien und Multi-Agenten- Systeme in einem realen Umfeld Untersuchungen zur Mensch-Maschine-Schnittstelle und zum erforderlichen Autonomie-Level als Funktion der Mission -> Umfangreiche Flugerprobung in Kombination mit Simulation Folie 3

4 ARTIS - Forschungsagenda Basissystem mit integrierter Avionik Software Architektur Wegpunkt-Navigation Entscheidungssysteme, on-board Wegplanung Autonome Funktionen für den FHS EC 135 UAV Kooperation Systeme mit hoher Zuverlässigkeit Flugregler-System Teaming von UAV mit bemannten Systemen On-board Kamera und Bildverarbeitung Bio-inspirierte Vision, Kollisionsvermeidung DLR-Institut für Flugsystemtechnik (Thielecke) Systemkonzept und Flugerprobung eines VTOL UAV Demonstrators Anforderungen für die Zulassung und Flug im kontrollierten Luftraum Folie 4

5 Basis-System Kommerzieller R/C Hubschrauber: - VTOL UAV Demonstrator auf der Basis eines ferngesteuerten Modellhubschraubers Benda Genesis - Extreme Manövrierbarkeit / Leistungsüberschuss - Niedrige Anschaffungs- u. Betriebskosten System Spezifikationen: - Motor 15cm³, 2 PS - Max. Geschwindigkeit 120 km/h - Hauptrotordurchmesser 1.90 m - Leergewicht 5.2 kg - Nutzlast 6.0 kg Folie 5

6 Allgemeines Systemkonzept Autonomie GPS GPS Referenz Guidance Navigation Datenlink 1 Datenlink 1 Zentraler Bodenstations- Control-System Datenlink 2 Datenlink 2 Computer RS-232 Seriell Mobile Bodenstation R/C Aktuatoren Switch Interface R/C Empfänger On-board Avionik Fernsteuerung Sicherheitspilot Standard Betrieb mit zwei Personen (Sicherheitspilot u. Bodenstation) Zwei redundante Datenlinks (Funkmodem seriell, WLAN Ethernet) R/C Elektronik und Avioniksystem mit getrennter Stromversorgung Switch zur Umschaltung von Sicherheitspilot und autonomer Modus Folie 6

7 Design der Avionik Komponenten Flexibilität durch einfache Rekonfiguration Modulare Upgrade-Fähigkeit Einfache Wartung im Forschungsumfeld Folie 7

8 ARTIS - Basis Konfiguration Magnetometer GPS Antenne Digital-Kamera Telemetrie Antenne Flight Control Computer Telemetrie Modul GPS & IMU Stromversorgung Folie 8

9 ARTIS - Kamera Konfiguration Folie 9

10 Modellfolge-Regelung MFCS Modell Invertierung Modell der Systemdynamik System- Identifizierung Pilot Kommando- Modell geforderte Antwort Modell der Systemdynamik -1 Modell Validierung Controller Input tatsächliche ARTIS Dynamik Versuchs- daten- Analyse Hubschrauber Antwort Easy-Handling Gesetze Feedforward PI- Regler Feedback + - Antwort- Fehler Ziel: Entwicklung eines Easy-Handling Control Systems Folie 10

11 Flugmechanische Simulation Simulink Modell: - Entwickelt auf der Grundlage des CMU Yamaha R-50 Modells - Lineare Modellstruktur - Parametrisierung für Schwebeund schnellen Vorwärtsflug - Explizite Berücksichtigung des Hiller Stabilisators - Plausibilitätscheck durch Sicherheitspiloten Systemidentifizierung und Validierung des ARTIS Modells - geplant für Ende 2004 Folie 11

12 Mobile Bodenstation: MAESTRO Transport-Box Daten Link 1 Daten Link 2 GPS Referenz Zentraler Bodenstations- Computer Optionale Optionale Optionale Auswerte- Auswerte- Auswerte- Computer Computer Computer Zentraler Bodenstations-Computer mit zwei Datenlinks (Funkmodem und Wireless Ethernet) Maximale Reichweite der Daten Links in der Praxis ca. 5 Km Referenzstation für Differential GPS Darstellung und Aufzeichnung von on-board Bildern und Videos Anschlüsse für Notebooks als zusätzliche Operator-Terminals: Datenanalyse und Visualisierung für die Nutzlast-Systeme Folie 12

13 MAESTRO - Basismodul Kommunikation ARTIS <-> GCS, Management der Datenlinks Anzeige der Sensorsignale, Quick-Look u. Datenaufzeichnung UAV System und Sensor Einstellungen u. Rekonfiguration System Überwachung, Sensor- Fehlererkennung und Diagnose Konfiguration und grafisches Interface für Easy Handling Mode 3-D Visualisierungsmodul auf der Basis von MS Flugsimulator Moving Map mit Positionsanzeige Folie 13

14 MAESTRO - Missionsmanagement Grafisches Interface zum Missionsmanagement Planung und Anpassung von Flugrouten Trajektorien werden über Basismodul an ARTIS geschickt. 2D/3D Visualisierung von Einsatzgebietes u. Mission Darstellung der aktuellen Flugposition und des Missionsstatus Online Überwachung während des Fluges Entwicklung des DLR-Instituts für Flugführung (Dr. Hecker, J. Strohmeyer) Folie 14

15 Bildgestützte Schwebeflug-Stabilisierung Stabilisierung Aufgabe: - Relatives Hovern über einem Objekt und dessen Verfolgung - Nutzung von Bildinformationen zur Schwebeflugstabilisierung - Navigation ohne GPS-System, z.b. in-door Positioning System Optisches Tracking Beispielanwendungen: - Schiffslandungen, Lastabsetzen - Verfolgung von Fahrzeugen - Rettung von Schiffbrüchigen - Reduktion der Arbeitsbelastung bei Search & Rescue Missionen Folie 15

16 Konzept für on-board Kamera-Systeme FCC Hub AXIS 2110 IP-Kamera PC 104 PIII 700 MHz IEEE 1394 Interface Imaging Source DMK 21F04 Digitale Bilddaten W-LAN Bodenstation DLR-Institut für Flugsystemtechnik (Thielecke) Systemkonzept und Flugerprobung eines VTOL UAV Demonstrators Folie 16

17 Hardware-Auswahl Rechner - PC 104, PIII 700 MHz, 256 MB RAM - SuSe Linux Kamera - Auflösung: 640 x bit monochrom - bis zu 30 Bilder pro Sekunde - 4 mm Brennweite entspricht einem Sichtfeld von 48 o x 37 o - Digitale Bildübertragung (IEEE 1394) Folie 17

18 Tracking eines bekannten Musters Kamerabild mit erkanntem Muster s/w-bild, nach Schwellwertbildung alle Konturen 1. Bild Akquisition 2. Schwellwertbildung 3. Konturerkennung (8er Nachbarschaft) 4. Annäherung durch Polygone 5. Erkennung des Zielobjektes (3 Vierecke in einem größeren Viereck) 6. Ordnen der Ecken der inneren Vierecke 7. Berechnen der relativen Position (kleinste Fehlerquadrate) Folie 18

19 Tracking beliebiger Landschaftsmerkmale Punkte mit hohem Kontrast werden gesucht. Die gewählten Punkte müssen einen Mindestabstand haben. Punkte werden mit Hilfe eines Lucas-Kanade Trackers verfolgt. Eigenbewegung der Kamera (= Hubschrauber) wird bestimmt. Bildgestützte Navigationslösung bei GPS-Ausfall bekannte Rotationen (IMU) bekannte Kamera Parameter bekannte Höhe aus Höhenmesser oder Stereodaten Folie 19

20 Zusammenfassung und Ausblick A utonomous R otorcraft T estbed for I ntelligent S ystems Flexibles System- und Avionik-Konzept Mobile Bodenstation mit Missionsmanagement On-board Kamera-System Bildgestützter Schwebeflug mit Muster-Tracking Folie 20