Automatisierung in der Luftfahrt Von der Pilotenunterstützung zum autonomen Flug

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Sylvia Bergmann
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1 Intitute of Flight Mehani and Control Automatiierung in der Luftfahrt Von der Pilotenuntertützung zum autonomen Flug Dr.-Ing. Alexander Joo, Akademiher Rat Intitut für Flugmehanik und Flugregelung Univerität Stuttgart

2 Tehnik untertützt / eretzt Piloten - Motivation Mehr Siherheit: Pilotenüberwahung / -aitenz Einatzdauer: Autopilot läuft pauenlo Weniger Riiko: Autopilot kein menhliher Pilot in Gefahr Aufwand / Koten im Betrieb: automatiiert, Fluggeräte kleiner Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 2

3 Automatiierung: Tehnik untertützt / eretzt Piloten Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 3

4 Automatiierung: Tehnik untertützt / eretzt Piloten Senoren Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 4

5 Automatiierung: Tehnik untertützt / eretzt Piloten Bordrehner / Autopilot Senoren Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 5

6 Automatiierung: Tehnik untertützt / eretzt Piloten Aktuatoren (Elektromotoren) Bordrehner / Autopilot Triebwerke Senoren Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 6

7 Automatiierung: Tehnik untertützt / eretzt Piloten Aktuatoren (Elektromotoren) Bordrehner / Autopilot: Bewegungplanung & Regelung Triebwerke Senoren Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 7

8 Foku Quelle: diamondairraft.om Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 8

9 Herauforderung Bewegungplanung / Regelung Bewegungplanung / Regelung allgemein oft ehr rehenaufwändig wiederholte Berehnung begrenzte Rehenzeit an Bord Limitierung Begrenzte Rehenkapazität auf dem Fluggerät verhindert aufwändige Bewegungplanung / Regelung an Bord Effiziente, auf Hardware angepate Algorithmen mit garantierter Rehenzeit nötig Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 9

10 Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring Nihtlineare Modellprädiktive Regelung (NMPC) Vorauhauend Mathematihe Optimierungproblem an Bord Sehr aufwändig Beipiel: Herauforderung Bewegungplanung mit NMPC 1 m i i b i b b t t F J 1 )) ( ), ( ( u x,, t x x u x f x r q p w v u z y x 1

11 Beipiel: Herauforderung NMPC - Löung Nihtlineare Stabilitättheorie Implementierung in Hardwarelogik Nihtlineare Steuerbarkeitanalye Aymptotih tabil wenn α > : Stark paralleliierbar FPGA x g 1 u 1 g u 1 in( ) p o( ) q in( ) 2 2 P g, g, g, g, g1, g2, g2 g g,... g g 2 g ( x ) 1 g ( x ) 1, x x Rehenbarkeit an Bord 1 in( ) o( ) P o( ) in( ) in( ) o( ) det( P) (o( )) 2 (in( )) 2 1 Alexander Joo Detail: iehe [1,2,3] Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 11

Referenztrajektorie Flugdaten Alexander Joo

12 Beipiel NMPC - Flugergebnie NMPC plant Bewegung während Flug vielfah wiederholt an Bord Keine Referenztrajektorie Flugdaten Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 12

13 Anwendungbeipiele für Flugregelung + Bewegungplanung Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 13

Flähe: 8km 2 Flug meit außerhalb Siht- / Funkkontakt Abbildung: ifr, Ato Solution

14 Kleine Fluggeräte al Senorträger - Suhkampagne Norden Skandinavien Shwer zugänglihe unbeiedelte Gebiet Geflogene Streke: 25km (blaue Linien) 7 Bilder, Flähe: 8km 2 Flug meit außerhalb Siht- / Funkkontakt Abbildung: ifr, Ato Solution GmbH Autopilot + UAV: ifr Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 14

15 Photogrammetrie 3d Kartierung mit Hilfe von Luftbildern Steinbruh Vaihingen/Enz Quelle: [4] Autopilot + Flugzeug: ifr Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 15

Poitionierung neuer Anlagen Autopilot: ifr, Flugzeug: Uni

16 Meteorologihe Meungen zwihen Windkraftanlagen Wind / Turbulenzmeungen Entprehende Senoren an Bord Ziel: Optimale Poitionierung neuer Anlagen Autopilot: ifr, Flugzeug: Uni Tübingen Quelle: [5] Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 16

17 Übertragung auf Raumfahrtzenario Planetary Landing Otoopter al Demontrator Autonom: Bewegungplanung an Bord (NMPC) Autopilot + Fluggerät: ifr Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 17

Automatiierung für Kleinflugzeuge 1. Pilotenaitenzyteme: Fly-by-wire mit Flight Envelope Protetion 2. Automatiher Flug: Flugzeug ohne / beim Aufall de Piloten flugfähig (inkl.

18 Automatiierung für Kleinflugzeuge 1. Pilotenaitenzyteme: Fly-by-wire mit Flight Envelope Protetion 2. Automatiher Flug: Flugzeug ohne / beim Aufall de Piloten flugfähig (inkl. Start und Landung) Erfolgreihe Tetflüge Automatiher Flug 2 Tetpiloten für Start und Landung an Bord Ende 213, nahe Wien Projekt Flymart Algorithmen: ifr Partner: Diamond Airraft Airbu DS ILS Uni Stuttgart Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 18

19 Zuammenfaung Stand und Aublik Automatiierungfunktionen für Fluggeräte Vorteile bzgl.: Siherheit, Riiko, Aufwand ermöglihen neue Löungen in verh. Anwendungen Übertragung auf Raumfahrtprobleme (Planetary Landing) Herauforderung Regelung- / Planungfunktionen Neue Algorithmen Herauforderung Pilotenaitenz bei Kleinflugzeugen Fragetellung: Wa hilft? Menh-Mahine-Interaktion? Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 19

20 Referenzen [1] Joo, A., Fihter, W.: Parallel Implementation of Contrained Nonlinear Model Preditive Controller for an FPGA-baed Onboard Flight Computer, "Advane in Aeropae Guidane, Navigation and Control", Springer Verlag, Berlin, 211, pp , ISBN [2] Joo, A., Müller, M. A., Baumgärtner, D., Fihter, W., Allgöwer, F.: Nonlinear Preditive Control Baed on Time-Domain Simulation for Automati Landing, AIAA Guidane Navigation and Control Conferene, 8-11 Augut 211, Portland, Oregon, USA. [3] Joo, A.: Real-Time Preditive Motion Planning for Fixed-Wing Aerial Vehile, Diertation Univerität Stuttgart, Forthrittberihte de Intitut für Flugmehanik und Flugregelung, Band 1, Shaker Verlag, Juli 214, ISBN [4] Haala, N., Cramer, M., Weimer, F., Trittler, M.: Performane Tet on UAV-Baed Photogrammetri Data Colletion, UAV-g (unmanned aerial vehile in geomati) Conferene, September 211, Zurih, Switzerland. [5] Wildmann, N., Hofäß, M., Weimer, F., Joo, A., and Bange, J.: MASC - a mall Remotely Piloted Airraft (RPA) for wind energy reearh, Advane in Siene and Reearh, 11, 55-61, doi:1.5194/ar , 214 Weitere augewählte Publikationen de ifr in dieem Kontext: Shmitt, L. and Fihter, W.: A Colliion Avoidane Framework for Small Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehile, AIAA Journal of Guidane, Control, and Dynami, 214. doi: "1.2514/1.G226" Weimer, F., Frangenberg, M., Fihter, W.: "Pipelined Partile Filter with Nonobervability Meaure for Attitude and Veloity Etimation"; AIAA Journal of Guidane, Control, and Dynami doi: "1.2514/1.G238" Gro M., Niendorf M., Shöttl A., Fihter, W.: Motion Planning for a Fixed-Wing MAV Inorporating Cloed-Loop Dynami Motion Primitive and Safety Maneuver, "Advane in Aeropae Guidane, Navigation and Control", Springer Verlag, Berlin, 211, pp , ISBN Alexander Joo Stuttgart , Stiftung Werner-von-Siemen-Ring 2

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