Technologien für ein Sense&Avoid - System für taktische UAVs

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Andrea Brahms
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1 Technologien für ein Sense&Avoid - System für taktische UAVs Martin Arndt, René Koch Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH (BGT) D Überlingen 1

2 Sense&Avoid Konzept einer passiven, optischen Lösung Relevante technologische Grundlagen bei BGT Anforderungen Ein Lösungsansatz und erste Ergebnisse 2

Verfolgung eines Boden-Luft Flugkörpers IR Einzelbild Alle

3 Flugkörperwarnsysteme als Basis für eine S&A-Lösung Passive Infrared Missile Approach Warning System (PIMAWS) Beispiel:Detektion und Verfolgung eines Boden-Luft Flugkörpers IR Einzelbild Alle Infrarot-Bilder einer Hemisphäre zusammengefügt 3 PIMAWS an einer DO-228 für Flugversuche

4 Das Ranger UAV als mögliche Plattform Sensorik Raumabdeckung durch kleine Anzahl fest nebeneinander positionierter Kameras im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich Signalverarbeitung In Echtzeit an Bord Objektdetektion Objektverfolgung Spurklassifikation Time-to-Collision Berechnung Systemaspekte Integration Berechnung optimaler Escape-Trajektorien Man-Machine-Interface: Display-Konzept Simulation 4

Das Ranger UAV als mögliche Plattform Daten des Ranger (RUAG Aerospace, Schweiz) Dimensions Total length: Height: Wingspan: Performance Max speed: Endurance: Service ceiling: Mission radius: 4.61 m 1.

5 Das Ranger UAV als mögliche Plattform Daten des Ranger (RUAG Aerospace, Schweiz) Dimensions Total length: Height: Wingspan: Performance Max speed: Endurance: Service ceiling: Mission radius: 4.61 m 1.13 m 5.71 m 130 kt up to 6 hr up to 18,000 ft 150 km Powerplant Designation: 1x Gobler-Hirth F-31 Power rating: 31.5 kw Fuel Type: Avgas 100 LL Type: piston engine Weight MTOW: Payload: 275 kg 45 kg 5

6 Sense & Avoid Sicht der UK Civil Aviation Authority UK CAA: UAVs Sense and Avoid Criteria At At present, UAVs are not equipped with approved anticollision systems capable of of detecting all all other aircraft types, so so they are segregated. There is is no no criteria for see and avoid against which industry can develop anti-collision technology. Thus, until criteria are set, operations outside segregated airspace will not take place. This factor is is one of of the most serious impediments to to current and future UAV operations. 6

BW-Flugsicherheit: Flugzeugdetektion in einer Entfernung von 5000m (Wing span 10m, Head-on Aspekt)

7 Sense & Avoid Das menschliche Auge Maximale foveale (lokale) Auflösung des Auges: 0.3 mrad An der Peripherie: reduzierte Auflösung aber, erhöhte Bewegungsempfindlichkeit Forderung der BW-Flugsicherheit: Flugzeugdetektion in einer Entfernung von 5000m (Wing span 10m, Head-on Aspekt) entspricht einer Auflösung von 2 mrad Abgeleitete Forderungen : Winkelauflösung: mrad Max. Det.-Reichweite: km 7

8 Sense & Avoid USAF und NASA Studienergebnisse NASA ERAST, FAA-Certification Project (zum Beispiel) Forderungen an das Gesamtgesichtsfeld PARAMETERS BELOW 10,000 FEET ABOVE 10,000 FEET Threshold Objective Threshold Objective Missed Distance 500 feet 500 feet 500 feet 500 feet Field of Regard - Azimuth +/- 60 o +/- 110 o +/- 60 o +/- 110 o - Elevation +/- 10 o +/- 20 o +/- 10 o +/- 20 o VFR Detection Range 3 miles ROA Specific 5 miles ROA Specific Time to Collision Warning 18.8 sec ROA Specific 31.3 sec ROA Specific Abgeleitete Forderungen: Azimuth: +/- 110 Elevation: +/- 30 8

9 Sense & Avoid Allgemeines Systemkonzept UAV Control Station Display 9

10 Sense & Avoid Funktionale Module Sensor S & A Processing Module Traffic collision avoidance system TCAS Flight Control / Management System UAV Data Link Data Link MMI Ground Control Station 10

11 Sense & Avoid Sensorikkonzept Realisierungsansatz Elektronisches Multiplexing Vorteil: Verglichen mit einem einzelnen Sensor, entfallen komplexe Abtastmechanismen. Gesamtgesichtsfeld: 220 x 60 4 Kameras ( VIS oder IR ) mit ca. 57 x 57 einzeln. Datenverarbeitung Kamera Elektronischer Multiplexer Weitere Optionen: Scannende Einzelkamera Verifikation: IR-Kamera Laserentfernungsmesser 11

Traffic Advisory Display: Symbole ähnlich zu TCAS Position in Polarkoordinaten

12 Sense & Avoid Display in der Bodenstation TCAS Display als Vorbild für ein Sense & Avoid Display: Eingabe: Objektmerkmale: Azimuth, Elevation, Größenänderung Optionen: time-to-collision, Objektklasse Traffic Advisory Display: Symbole ähnlich zu TCAS Position in Polarkoordinaten Region-of-interest-Einblendung möglich Optionen: Objektentfernung durch Zusatzsensorik Ausweichempfehlung Autonome Notfalllenkung 12

13 Bildverarbeitung für S&A Funktionale Struktur Extraktion relevanter Bildstrukturen Berechnung von Detektionsmerkmalen Merkmalsbasierte Objektdetektion Spurbildung u. -verwaltung Schätzung der Hintergrundbewegung Spurklassifikation Bewertung von Kollisionskandidaten Hardware: Systolischer Array Prozessor (BGT) Digitale Signal Prozessoren, oder Com.-Off-the-Shelf- Prozessorsysteme, aus Kostengründen Zukunftsoptionen Time-to-collision Sensorfusion (mit Verifikator) Objektklassifikation (...) 13

14 Sense & Avoid Ergebnisse der Bildverarbeitung Demo mit VIS - Daten der RANGER Payload via Datenlink -> relativ schlechte Detail-Qualität Demo mit IR - Daten von PIMAWS Vorläufige Ergebnisse! (Verfahrensentwicklung nicht abgeschlossen) ShortSeeI13.exe 14

15 Sense & Avoid Ergebnisse der Bildverarbeitung Suche nach auffälligen, kleinen Flächen ( Merkmalsbasierte Objektdetektion ) 15

16 Sense & Avoid Ergebnisse der Bildverarbeitung Spur eines Flugzeugs bezogen auf die Hintergrundbewegung y ( Spurklassifikation ) Zeit x Summary 16

17 17

18 Sense & Avoid Zusammenfassung BGT nutzt seine langjährige Erfahrung aus dem Flugkörper- und Suchkopfbereich und aus dem Bereich Passive Flugkörperwarnsensoren. Die erworbenen Fähigkeiten sind die Grundlage für die Konzeption eines passiven, optischen Sensorsystems mit Signalverarbeitung an Bord, als Lösung für das Sense-&-Avoid-Problem für UAVs. Vorrangiges Ziel: Erreichung einer Erkennungsleistung, welche vergleichbar ist mit der eines Piloten. Technische Vorteile: Nutzung höchster Datenqualität, durch An-Bord-Verarbeitung, Konstanz der Aufmerksamkeit in Raum und Zeit, Mehrfach-Objektverfolgung bei hoher Beobachtungsrate und großem Gesichtsfeld. Diese Arbeiten wurden in Eigenfinanzierung und in Kooperation mit RUAG Aerospace, Schweiz durchgeführt. 18

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