Ansätze zur verhaltensbasierten Bahnplanung für das UAV Prometheus unter Berücksichtigung flugmechanischer Begrenzungen Fabian Klüßendorf

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1 Ansätze zur verhaltensbasierten Bahnplanung für das UAV Prometheus unter Berücksichtigung flugmechanischer Begrenzungen Fabian Klüßendorf Florian Adolf Bruno Janhsen Tjorven Gerhard Moritz Niendorf Folie 1 Ansätze verhaltensbasierter Bahnplanung für das UAV Prometheus > Fabian Klüßendorf > DGLR Workshop: Vom Missionsauftrag zur geflogenen Trajektorie >

2 Folie 2

3 Der Flugversuchsträger Prometheus Magnetometer GPS-Ant. IMU FCC, VCC, GPS & Telemetrie Nasenmast Pitot-Mast Sonar Telemetrie Treibstofftanks RC-Empfangsanlage Folie 3

4 Motivation Integration von Starrflügel-Fähigkeiten in bestehender Entwicklungsumgebung Vorhandene Softwarearchitektur erlaubt Auftragsorientierte Missionsplanung und Durchführung Wiederkehrende (Teil-)Aufträge Verhaltensbasierte Steuerung Berücksichtigung flugmechanischer Beschränkungen Ausnutzung der flugmechanischen Fähigkeiten Nichtlineare Flugregelung Möglichst genaue Abbildung der flugmechanischen Grenzen in verhaltensbasierter Steuerung Implementierung von Starrflügelsteuerung bringt Synergieeffekt für Drehflügel-UAV Folie 4

5 Realisierung verschiedener Stufen der Systemautonomie durch Missionsmanagement One-Button-Mission PROMETHEUS ARTIS Virtuelles Weltmodell Basisverhalten Missionsmanager Module Manager Operator Wegpunktnavigation Aufgabenplaner Routenplaner Ressourcen Kooperation Kommunikation Abfolge der Verhaltenskommandos Lagevorgaben Ablaufsteuerung Ereignishandler Verhalten Direktkommandos Direktkommandos Flugregelung Folie 5

6 Steuerungsarchitektur 3T Architecture [Bonasso et al.,1997] + Verhaltensbasiert [Brooks,1990] Planungsebene: High-level Aufträge Aufgabenorientierte Planung Fly Home Erkunde Überwache Suche Ablaufsteuerung: Zusammenstellen der Mission aus Bewegungskenntnissen Mission Time Beispiel: Überwachungsmission. Hebe ab Fliege WP an Video Umkreise Fliege zu Wegpunkt Video Umkreise Passiere Wegpunkt FT Lande t 0 t 1 t 2a t 2b t 3 t 4a t 4b t 5 t 6 t 7 Reaktive Schicht: Bewegungskenntnisse Start Landung Überfliege Wegpunkt Passiere Wegpunkt Standby Umkreise Zielpunkt Taxi Beschleunigungsregelung Lageregelung Bahnfolgeregelung Flugregler Modi (Task IDs) Folie 6

7 Vergleich einiger Verhalten Verhalten Helikopter Flugzeug Starten Landen Standby Schwebeflug als Übergangsbedingung Verhalten bestehen aus lediglich einem Teilverhalten Schwebeflug als Übergangsbedingung entfällt Zusammengesetzte Basisverhalten Reaktive Phasen Bahnsegmente Wegpunkt anfliegen Folie 7

8 Verhalten Start Folie 8

9 Verhalten Start Folie 9

10 Verhalten Standby Folie 10

11 Verhalten Landung Video Landung Folie 11

12 Flugbahn aus Verhalten und Übergängen Abfliegen vorgegebener Verhalten Verbindung zwischen den Verhalten notwendig Beschränkungen im Luftraum Planung unter Berücksichtigung der flugmechanischen Nebenbedingungen notwendig, da Verhalten bei Starrflügler im Gegensatz zum schwebefähigen Hubschrauber nicht beliebig aneinandergereiht werden können. Ansatz: Frazzoli RRT 1 1 E. Frazzoli, M. A. Dahleh, and E. Feron. Real-Time Motion Planning for Agile Autonomous Vehicles. AIAA, Journal of Guidance and Control, 25(1): , Folie 12

13 Funktionsweise RRT (Rapidly Exploring Random Tree) x rand Initialisierung Erweitern Sampling Suchen des eines des nächsten des Baumes Zufallspunktes neuen Start- Nachbarn Zufallspunktes in und Richtung Zielpunktes x x rand near x im x rand rand Baum x rand x rand x rand Hindernis x rand x new x I x near x new x rand Hindernis x G x rand x rand x rand 1 S. M. LaValle. Rapidly-exploring random trees: A new tool for path planning.technical Report 98-11, Computer Science Dept., Iowa State University, October Folie 13

14 Frazzoli - RRT Berücksichtigung der Bewegungscharakteristiken Folie 14

15 Frazzoli - RRT Ermöglicht: Implizite Berücksichtigung der Systemdynamik Darstellung der Closed-Loop Dynamik durch Zustandsautomaten aus stationären und instationären Flugzuständen Beibehaltung der vorteilhaften Eigenschaften des Basis RRT Probabilistic Completeness Exponentielle Konvergenz Schnelle Erkundung des Workspace Nachteile: Beweisbar suboptimale Lösung Nicht-deterministisch Laufzeit nicht garantierbar Folie 15

16 Frazzoli - RRT Erste Implementierung in Testumgebung 1 1 T. L. Lange. Iterative Generierung fliegbarer Trajektorien mit Hilfe einer Sampling-basierten Bewegungs-planung. Bachelor-Thesis, FH Flensburg/DLR, Januar Folie 16

17 Zusammenfassung Erweiterung der bestehenden Helikopter-Bahnplanung um Starrflügel- Fähigkeiten Neue Basisverhalten notwendig Auftragsorientierung durch verhaltensorientierte Steuerung Übergangsbedingung stellt Herausforderung dar Basisverhalten Start, Standby und Landung implementiert Mögliches Verfahren zum Verbinden der Basisverhalten: Frazzoli-RRT Folie 17

18 Ausblick Ausbau der Systemfähigkeiten Erste Reglertests im Flugversuch Systemidentifizierung Vervollständigung der bisherigen Verhalten Flugmechanik Abbruchbedingungen Anpassung der Kostenfunktion des F-RRT auf Starrflügel Erweiterung um Anytime-Fähigkeit Implementierung als Online-Bahnplaner Folie 18

19 Fragen? Anregungen? Ideen? Folie 19