Entwicklung und Automatisierung von Kleinstfluggeräten

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1 Entwicklung und Automatisierung von Kleinstfluggeräten H. Quix,, W. Alles DGLR Workshop zum Thema UAV/UCAV/MAV Aktivitäten in Deutschland April 2004

2 Gliederung Einleitung Realisierte Kleinstfluggeräte Aufbau einer Navigationsregelung Aufbau der erforderlichen Hardware Realisierung und Erprobung Zusammenfassung

3 Einleitung Definitionen max. Abmessungen max. Masse Micro Air Vehicle (DARPA) 0.15 m 0.1 kg Kleinstfluggerät (FD) 1.0 m 1.0 kg Einsatzmöglichkeiten für Kleinstfluggeräte Einsatz als kostengünstige, vielseitig verwendbare Sensorplattform bei militärischer Aufklärung, hoheitlichen Aufgaben, Verkehrsüberwachung oder bei Umweltkatastrophen oder Großschadensereignissen Ziel der Forschungsarbeit Entwicklung eines Kleinstfluggeräts mit möglichst geringen Abmessungen Automatisierung des Kleinstfluggerätes zur Vereinfachung der Flugführung

4 Realisierte Kleinstfluggeräte Konfigurationsstudie Schlagflügler Spannweite: Masse: Flugzeit: 50cm 60g 5 min

5 Realisierte Kleinstfluggeräte Demonstratoren für ungeregelte Kleinstfluggeräte Spannweite: Masse: Flugzeit: 15cm 40g 11 min Spannweite: Masse: Flugzeit Nutzlast: 25cm 105g 15 min S/W-Videosystem Nachweis der Bedienbarkeit und der Hardwarefunktionalität Erfolgreicher Einsatz bei MAV Wettbewerben

6 Realisierte Kleinstfluggeräte Versuchsträger für ein teilautonomes Flugführungssystem Spannweite: Masse: Flugzeit: Nutzlast: 64cm 770g 8 min Farbvideosystem Spannweite: Masse: Flugzeit Nutzlast: 40cm 280g 42 min Farbvideosystem Nachweis vereinfachter Bedienbarkeit und verbesserter Nutzlastfunktion unktion

7 Onboard Flugführungssystem Bedienung: Vorgabe von Höhen- und Kursänderungen Reglerfunktionen: Fahrtregelung Höhenregelung Regelung Azimutänderung Unterlagert: Lagestabilisierung, Kurvenkompensation, Kurvenkoordination Reglerkomponenten: Microcontroller als Single-Chip Bordrechner barometrischer Höhensensor Staudrucksensor drei Drehratensensoren

8 Ziel: Erweiterung des Flugführungssystems Erhöhung des Autonomiegrades durch GPS-Wegpunktnavigation und daran gekoppelte Funktionen für automatisierte Start- und Landemanöver Missionsvorgabe durch Eingabe von Wegpunkten (Position, Höhe, Geschwindigkeit) Vorgehensweise: Entwicklung des Reglerkonzeptes Auswahl geeigneter Hardware Auslegung des Versuchträgers Reglerauslegung Realisierung Erprobung durch Flugversuch

9 Horizontale Bahnmanöver: Regelung auf Basis der GPS-Daten: Längen- / Breitengrad Kurs über Grund Geschwindigkeit über Grund Reglerkonzept Betriebsarten der Bahnmanöverregelung Kurvenflugregelung Bahnazimutregelung Standlinienregelung Vorgabe der Missionswegpunkte Abflug der Standlinien mit direktem Überflug des Wegpunktes Abflug der Standlinien ohne Überflug des Wegpunktes

10 Vertikale Bahnmanöver: Reglerkonzept Regelung auf Basis der Drucksensor-Daten: Daten: Staudruck barometrischer Druck Betriebsarten der Bahnmanöverregelung Höhenregelung (Höhenhaltung, Höhenänderung) Fahrtregelung (Fahrthaltung, Fahrtänderung) Abfangmanöver

11 Onboard Hardware GPS-Empfänger/Antenne: ublox TIM GPS-Empfänger (1 Hz update) ublox TIM-LP GPS-Empfänger (4 Hz update) Sarantel Geo-Helix GPS-Antenne (aktiv) Microcontroller: Microchip PIC 16F876 zur Datenaufbereitung (Manchester Coding) Telemetriesender: Stecom (Hy-Line) BT58S Massen: Abmessungen: GPS-Empfänger Platine 27.5 g 81.5 x 40.8 x 12.0 mm GPS-Antenne 11.7 g 14.7 x 7.7 x 47.5 mm Microcontroller Platine 7.3 g 36.0 x 15.0 x 10.0 mm Telemetrie (mit Antenne) 8.8 g 37.0 x 15.0 x 4.0 mm Halbierung von Masse und Abmessungen durch optimiertes SMD-Layout angestrebt

12 Rechnereinheit dspace PPC-Controllerboard DS1103 mit Connector Panel Notebook als Benutzerschnittstelle Steuereinheit Multiplex Pico Fernbedienung Bodenstation Microcontroller Microchip PIC 16F876 zur Datendecodierung (Manchester Coding) Telemetrieempfänger Stecom (Hy-Line) BR58S Antennennachführung

13 Gesamtsystem

14 Auslegung des Versuchsträgers Übernahme der erprobten Konfiguration des Versuchsträgers MAV40 Hinzufügen eines Rumpfes zur Aufnahme der Hardware Komponenten Anpassung des Antriebsstranges GPS-Empfänger Servo RC- Empfänger GPS-Antenne Kamera Motor Drehzahlsteller Akku onboard Reglereinheit Video Sender Telemetrie Sender Servo

15 Reglerauslegung Modellbildung mit Hilfe eines Analyseprogramms (aerodynamisch/flugmechanische Daten, Masse, Trägheits- Deviationsmomente u.ä.) Auslegung der Reglerparameter anhand einer nichtlinearen Simulation Feinabstimmung durch Flugversuche

16 Stand der Realisierung und Erprobung Bau des Versuchträgers aus EPP Nachweis der Funktionalität der Hardware Komponenten (GPS-Empfänger, Telemetriesystem und Bodenstation) Entwicklung einer Benutzeroberfläche für die Bodenstation

17 Zusammenfassung Das erfolgreich erprobte Autopiloten-System wurde durch eine GPS-Wegpunktnavigation erweitert Die notwendige Hardware wurde entwickelt und erprobt Ein Versuchträger wurde für die Erprobung ausgelegt Die Funktion des Gesamtsystems muss im Flugversuch nachgewiesen werden Die Flugführung eines Kleinstfluggerätes kann durch die Integration einer GPS-Wegpunktnavigationsregelung weitgehend automatisiert werden