Präzise Rendezvousregelung für Luft- und Bodenfahrzeugsysteme

• Precise rendezvous control of aircraft and ground vehicle systems

Engels, Stefan; Moormann, Dieter (Thesis advisor); Abel, Dirk (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Die Verbesserung der Energieeffizienz ist ein treibender Faktor der aktuellen Luftfahrtforschung. Zur Erreichung dieses Ziels besteht eine Idee in der Reduktion der Gesamtmasse des Luftfahrzeugs. Hierdurch reduzieren sich in Folge die benötigten aerodynamischen Auftriebskräfte sowie die daran gekoppelten Widerstandskräfte und damit die benötigte Antriebsleistung. Ein möglicher Ansatz zur Gewichtsreduktion besteht in der Entfernung des Fahrwerks. Start und Landung müssen dann durch ein bodengebundenes System, beispielsweise ein Bodenfahrzeug, unterstützt werden. Aus flugdynamischer und regelungstechnischer Sicht ist die Landung dabei die weitaus größere Herausforderung im Vergleich zum Start. Zum Zeitpunkt der Landung müssen Position, Geschwindigkeit sowie Roll-, Nick- und Gierwinkel von Luft- und Bodenfahrzeug aufeinander abgestimmt sein. Um dies zu erreichen, werden die translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade der beiden Systeme aneinander angeglichen und innerhalb von festgelegten Grenzwerten gehalten, d. h. sie werden synchronisiert. Die Reduzierung von verbleibenden Abweichungen bis zum Kontakt wird als Rendezvous bezeichnet. Aus technischen Gründen, u. a. höherer Reaktionsgeschwindigkeit und Reproduzierbarkeit, aber auch im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit ist eine Automatisierung der Rendezvousregelung erforderlich. In dieser Arbeit wird die vollständig automatisierte Landung eines Luftfahrzeugs auf einem Bodenfahrzeug behandelt, wobei der regelungstechnische Fokus auf das Luftfahrzeug gelegt wird. Der gesamte Landevorgang wird in zwei Phasen aufgeteilt. Während der Anflugphase werden Luft- und Bodenfahrzeug so zum Anfang der vorher festgelegten Rendezvousstrecke geführt, dass ihre Position und Geschwindigkeit hinreichend genau übereinstimmen. In der sich anschließenden Landephase werden beide Systeme präzise synchronisiert, sodass mit dem Aufsetzen des Luftfahrzeugs auf dem Bodenfahrzeug das Rendezvous auch unter Störeinflüssen erfolgreich abgeschlossen wird. Da Luft- und Bodenfahrzeug üblicherweise heterogenes Verhalten in ihren Dynamiken aufweisen, sieht das hier dargestellte Konzept eine dynamikangepasste Aufgabenverteilung vor. Die vorgestellten Regelungssysteme werden im Rahmen dieser Arbeit für eine typische Luft- und Bodenfahrzeugkombination ausgelegt. Zur Validierung des Gesamtsystems werden die Regler im Rahmen von Simulationsversuchen unter verschiedenen atmosphärischen Störeinflüssen evaluiert. Abschließend wird das Konzept in exemplarischen Freiflugexperimenten überprüft.