Cassidian. Dipl.-Ing., Dipl.-Kfm. Markus Kurze Automatisches Taxiing - Design und Integration für ein UAV

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1 Cassidian Dipl.-Ing., Dipl.-Kfm. Markus Kurze Automatisches Taxiing - Design und Integration für ein UAV

2 Gliederung Motivation u. Konzept für die Autotaxi Entwicklung Flugsteuerung und Autoflight System Barracuda Auto Taxi Mode Lateraler und longitudinaler Autopilot Flugtest- u. Simulationsergebnisse Geplante Verbesserungen u. Ausblick Page 2

3 Motivation für die Auto Taxi Entwicklung Stand der Technik bei dem UAV Demonstrator bis 29 Demonstrator einschließlich des Flugsteuerungssystems wurde in Flugtestkampagnen 26 und 29 bereits erfolgreich erprobt Dabei: Ziehen des Demonstrators vor dem Start und nach der Landung jeweils mit einem Schleppfahrzeug auf die Start- und Landebahn Pre- und Post Flight Prozeduren wurden auf der Landebahn durchgeführt Start- und Landebahn für längere Zeiten für den Luftverkehr gesperrt Gründe für die Auto Taxi Entwicklung Bereitstellung einer Funktionalität für das automatische Rollen des UAVs auf die Startund Landebahn zur Durchführung der Pre- und Postflight Prozeduren außerhalb der Start- u. Landebahn Operationeller Bedarf nach Auto Taxi Funktionalität bei zukünftigen UAVs; Entwicklung und Erprobung dieser Technologie sollte mit dem Demonstrator erprobt werden Page 3

4 Technisches Konzept Konzept Taxi Routen werden durch Vorgabe von Wegpunkten in WGS 84 Koordinaten und zugehörigen Geschwindigkeitskommandos definiert Verbindung der Wegpunkte mit geraden Streckenabschnitten ergibt die Solltrajektorie Übergänge zwischen den Geradensegmenten erfolgen duch Kurven Möglichkeit zur Vorgabe von Taxi Stop (Automatisches Halten des UAVs vor dem Wegpunkt) und Taxi By (Passieren des Wegpunktes) Wegpunkten Vorsehen von Interaktionsmöglichkeiten für den Operator durch Bereitstellung zusätzlicher High Level Kommandos Taxi Stop, Taxi Go und Skip Waypoint Taxi Stop waypoints Taxi By waypoints Nominal Lift Off Point Goose Bay Airport Brake Release Point Planned taxi way Last Chance Page 4

5 Flugsteuerung Barracuda Triebwerk Schub variabel ansteuerbar Seitenruder Nosewheel Bremse Normal Mode: Nominale Verzögerung Taxi Mode: Reduzierte Verzögerung Differentiell u. symmetrisch ausschlagbares Ruder Page 5

6 Autoflight System Barracuda Sensor Daten (ADS, Nav) & Sensor Zustände Anpassungen für Auto Taxiing Flight Guidance Größen u.a. Cross track error Dist. along track Track Angle Cmd System Informationen v. Health Monitor HighLevel Kommandos u.a. Return To Base Go Around Taxi Go Taxi Stop Skip Waypoint Failure Detection and Autonomous Reaction Auto flight System Autoflight Moding Flight phase moding Moding of secondary controls: Flaps Landing Gear Nosewheel Mode Brakes BrakeMode FlightPathGen & Lon. Controls RouteSteering & Lat. Controls Nosewheel- Steering Sym taileron Throttle Sec. controls: Brakes Flaps Phase of flight: GoAround Diff taileron Rudder Nosewheelsteering Page 6

7 Auto Taxi Mode Taxi Initialisation Ready For Taxi Taxi Go Brake Mode = Taxi Braking Übergabe Autorität an Autopilot High Level Cmd Taxi Go Bedingungen für Taxi Fortsetzug erfüllt Datenlinkverlust Automatisches Bremsen vor: Stop Wegpunkt Take Off Brake Release Punkt High Level Cmd Taxi Brake Taxi Brake Brake Mode = Normal Braking Stillstand des Flugzeugs Taxi Stop Page 7

8 Taxi Go Mode - Geschwindigkeitsregelung Grundkonzepte Leerlaufschub des Demonstrators erlaubt kein stationäres Rollen mit niedrigen Geschwindigkeiten ohne Einsatz der Bremse Grundsätzliche Varianten zur Realisierung von niedrigen Geschwindigkeiten a) Entwicklung eines Bremsmodes der eine konstante Rollgeschwindigkeit einstellt und bei dem die Bremse permanent im Einsatz ist Nachteil: Starke Wärmeentwicklung in der Bremse und hohe Kosten Vorteil: Konstantes Rollen mit der kommandierten Geschwindigkeit b) Nur temporärer Einsatz der Bremse zum Verzögern auf eine Geschwindigkeit unterhalb der Sollgeschwindigkeit und anschließendes Lösen der Bremse bis zum Überschreiten der Sollgeschwindigkeit um eine definierte Toleranz Vorteil: Geringere Wärmeentwicklung in der Bremse, geringere Kosten Nachteil: Geschwindigkeit schwankt zyklisch um den Sollwert Page 8

9 Taxi Go Mode - Geschwindigkeitsregelung Realisierte Lösung Geschwindigkeitsregelung auf Geradensegmenten Zyklische Regelung der Geschwindigkeit um den Sollwert durch Lösen und Kommandieren der Bremse bei Erreichen einer ober-/ bzw. unterhalb der Sollgeschwindigkeit liegenden Toleranzgeschwindigkeit Verzögerung erfolgt im Taxi Mode um ein zu abruptes Abbremsen zu vermeiden Geschwindigkeitsregelung in Kurven In Kurven soll Bremsen möglichst vermieden werden Abbremsen des Flugzeugs vor dem Beginn von Kurven, so dass eine niedrige Kurveneingangsgeschwindigkeit erzielt wird In der Kurve erfolgt kein Bremsvorgang, das Flugzeug beschleunigt in der Kurve Bremsen erfolgt erst wieder nach Abschluss der Kurve Page 9

10 Auto Taxiing Taxi Go Mode Taxi Go Taxi Go - Acceleration BrakeCmd = Off Geschwindigkeitsregelung Straight Taxiing Lösen der Bremse in der Kurve Bremsen vor Kurven Notbremsvorgang in der Kurve Taxi Go - Braking Brake Cmd = On ; Brake Mode = Taxi Page 1

11 Bremsdistanzberechnung Bremsdistanzberechnung erforderlich für - zeitgerechtes Abbremsen und Stoppen vor Taxi Stop Wegpunkten - zeitgerechte Reduzierung der Geschwindigkeit vor dem Beginn von Kurven Modellierung der Verzögerung V, a V s V 1 s 1 V 2 s 2 s 3 Verzögerung Geschwindigkeit V : Aktuelle Geschwindigkeit V c : Zielgeschwindigkeit V p : Prädizierte Geschwindigkeit bei Einsetzen der Bremsverzögerung V 2 : Geschwindigkeit bei Anliegen der vollen Bremsverzögerung V 3 : Geschwindigkeit beim Lösen des Bremskommandos V 3 V c Taxi Beschl. Nom. Verzl/2 t Nom. Verz. Page 11

12 Lateraler Autopilot Moding Eingangsgrößen von der Flight Guidance: Kurswinkelkommando χ cmd des jeweils aktuellen und des jeweils nächsten geraden Streckenabschnitts χ cmd_next Laterale Abweichung y des UAVs vom aktuellen und vom nächsten Leg y next Auf das jeweils aktuelle Leg projezierte verbleibende Strecke bis zum aktuellen Wegpunkt x s Flight Guidance liefert keine explizite Trajektorienvorgabe in den Kurven Berechnung der Einkurvdistanz: Berechnung der Einkurvdistanz x s in χ Wp n+1 Abhängigkeit von der Winkeländerung χ Wp n Initiierung eines Wegpunktwechsels, wenn die Distance along track die berechnete Einkurvdistanz unterschreitet DAT < x s Wegpunktwechsel x s y s χ 2 RIP R Wp n-1 Page 12

13 Lateraler Autopilot - Regelgesetze Regelgesetz zum Folgen von Geradensegmenten Straight contol law FG χ cmd y cmd ( ) + y K y r cmd r χ K χ + K r NWS cmd χ Wp n+1 χ cmdnext χ cmd y Wp n Wp n-1 Page 13

14 Lateraler Autopilot - Regelgesetze Regelgesetz zum Folgen von Kurvensegmenten Turn control law R T Vorsteuerung nach Ackermann R 2 T - SP_MLG 2 Vorsteuerung V k 1 R r cmd + - r K r + + Limit = f(v k ) NWS cmd Straight control law β Ackermann Fahrzeug Modell l v l β Nosewheel deflection l β = atan( ) R 2 l T H 2 R T β l H Page 14

15 Lateraler Autopilot Schaltung der Regelgesetze Schaltung der Regelgesetze Erreichung des Kurvenendes Turn Left Taxiing Straight Taxiing Wegpunktwechsel mit Richtungsänderung Erreichung des Kurvenendes Turn Right Taxiing WP n χ Wegpunktwechsel r > WPn+1 Straight control law Turn control law WP n-1 Page 15

16 Longitudinaler Autopilot V cas_cmd - K v PLA cmd V cas q cmd ( ) - q K q + + Ausphasen der q - Rückführung bei niedrigen Geschwindigkeiten SymTail cmd θ cmd (-2 ) θ - K θ Page 16

17 Übergänge Flugmode - Taximode Flight Mode Taxi Mode Initialisation Taxi Initialisation Ready For Take Off. Taxiing vor TakeOff - Übergang von Taxi- in Flugmode gesteuert über Wegpunktattribut - Nur in bestimmter Taxiphase möglich Ready For Taxi. Braking Centerline Hold Taxiing nach der Landung - Übergang von Flug- in Taximode gesteuert über Wegpunktattribut - Nur in bestimmter Flugphase möglich Taxi Brake Braking Stop Final Stop Taxi Stop Page 17

18 Automatisches Taxiing Sicherheitsfunktionalität Stoppen des UAVs erfordert Taxi Stop Kommando u. damit Verfügbarkeit des Datenlinks Sicherheitsfunktionalität: Für Rollen muß Datenlink anliegen Datenlinkverlust: UAV stoppt automatisch ab Ready For Taxi Taxi Mode HLC Taxi Go & HLC Ping Taxi Go HLC PING activ Acceleration Speed Hold Braking Data Link Loss Brake Mode = Taxi Brake HLC Taxi Stop Automatic transition Taxi Stop Wegpunkt Braking Brake Mode = Normal Brake Taxi Stop Page 18

19 Simulations- u. Flugtestergebnisse Page 19

20 Goose Bay Simulation / Flight Test - Taxi to Brake Release Point kg, GE_Factor=1, no Turbulence, delta_cg=[,,], date: 16-Feb :57: North [m] BTBT B ST 5 3 B TBT B B T TB B TBT T B2 4 T -2 Brake Release Point Last Chance Position East [m] Page 2

21 Goose Bay Simulation Taxi to Brake Release Point Vcas [kts] VcasCmd_FG [kts] VcasCmd [kts] BrakeCmd BrakeModeCmd PingCmd Cross track error [m] Track angle error [ ] Nws Cmd [ ] PoFlightCmd WpAttr WpId DistAlongTrack [m] M. Kurze Automatisches Taxiing Design 5 und Integration t [s] Page 21 Pla Cmd

22 Cross track error [m] Track angle error [ ] VCAS [kts] VcasCmdFG [kts] VcasCmd [kts] Nws Cmd [ ] 1 Goose Bay 21 Taxi to Brake Release Point Brake Cmd Brake Mode Cmd Ping PoFCmd WpAttr WpId DistAlongTrack [m] t [s] Page 22 Pla Cmd

23 Geplante Verbesserungen Flight Guidance / Lateraler Autopilot Neue Flight Guidance liefert eine explizite Trajektorienvorgabe auch in den Kurven Umschaltung zwischen Regelgesetzen nicht mehr notwendig Regelgesetz mit allen Rückführungen bleibt auch in Kurven aktiv Bremsen vor Taxi Stop Wegpunkten Bislang: Berechnung der Bremsstrecke und Einleitung des Bremsvorgangs sobald die verbleibende Strecke diese unterschreitet Bei Abweichung zwischen realer und angenommener Bremsverzögerung (a a nom ) große Streuungen in der Halteposition Verbesserung: Permanenter Vergleich von berechneter und verbleibender Bremsstrecke Lösen der Bremse wenn verbleibende Strecke größer ist als die für jeweils noch vorhandene Geschwindigkeit berechnete Bremsdistanz V Beginn des Bremsvorgangs Nominaler V-Verlauf Realer V Verlauf für a > a nom Lösen der Bremse Taxi Stop Wegpunkt s Page 23

24 Ausblick Technologieentwicklung Auto Taxi Demonstration folgender Weiterentwicklungen im Rahmen einer zukünftigen Flugtestkampagne Möglichkeit zur Auswahl zwischen verschiedenen im Flight Management System verfügbaren Taxi Routen zum Rollen des UAVs auf die Start-/und Landebahn vor dem Start und zum Rollen des UAVs zurück zur Parkposition nach der Landung Explizite Trajektorienvorgabe in den Kurven Verbesserung des Algorithmus für das automatische Anhalten des UAVs vor Taxi Stop Wegpunkten Langfristig angestrebte Weiterentwicklungen Erweiterung der Eingriffsmöglichkeiten für den Operateur Bereitstellung einer Möglichkeit zur manuellen Steuerung neben der Steuerung durch den Autopiloten Erhöhung der Manövrierfähigkeit am Boden Page 24

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