Routenplanung und Flugführung in unbekannter Umgebung

Löchelt, Sven; Bollwerk, Markus; Alles, Wolfgang

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2009)
Konferenzbeitrag

In: DGLR Workshop UAV-Design unter operationellen Randbedingungen bei DIEHL BGT Defence, Überlingen, Bodensee, 20.-21.11.2008
Seite(n)/Artikel-Nr.: 28 Folien

Kurzfassung

Der Lehrstuhl für Flugdynamik der RWTH Aachen befasst sich seit mehreren Jahren mit der Flugregelung und Flugführung von Drehflüglern. Für einen auf einem elektrogetriebenen Modellhubschrauber aufgebauten Testträger des Lehrstuhls wurde ein Konzept zur autonomen Routenplanung und Flugführung in unbekannter Umgebung erstellt und dieses Konzept in einer Simulation unter MATLAB/Simulink validiert. Zur Verfügung steht hierbei eine vorhandene nichtlineare Simulation des Hubschraubers basierend auf einem 6-Freiheitsgrade Modell erweitert um die Schlagdynamik der einzelnen Blätter. Die Rotoraerodynamik wird über die Blattelemententheorie berechnet. Alternativ existiert eine mittels Linearisierung erzeugte Zustandsraumdarstellung des Hubschraubers. Das Flugregelungs- und Führungssystem besteht aus einem Kaskadenregler mit analytisch bestimmten Reglerparametern. Auf der untersten Stufe steht ein Basisregler zur Stabilisierung, der von einem Positions- oder Geschwindigkeitsregler kommandiert wird. Die Regler werden über eine Missionssteuerung basierend auf Zustandsautomaten konfiguriert und kommandiert bzw. direkt aus dem Routenplanungs- und Hindernisvermeidungs-Modul. Dies erlaubt eine flexible Ansteuerung des Hubschraubers durch verschiedene Betriebsarten und eine Grundbefähigung zum autonomen Flug. Ein Sensormodell eines aktiv abtastenden Sensors über Raytracing sowie eine diskrete Zerlegung des Hindernisraumes abgebildet durch Matrizen erlauben die wahrscheinlichkeitstheoretische Abbildung des Helikopter-Wissenstandes über die lokalisierten Hindernisse. Aufbauend hierauf erfolgt eine autonome Routenplanung und Hindernisvermeidung über einen 3-stufigen Ansatz. Die globale Routenplanung mit niedriger Aktualisierungsrate erfolgt über den A*-Algorithmus, der eine kostenoptimale Route zwischen der aktuellen und der globalen Missionszielposition berechnet. Unterlagert ist ein Algorithmus mittlerer Ausführungsrate, der aus der globalen Route Wegpunkte extrahiert und diese als Zwischenziele an die unterste Stufe weiterreicht. Auf der untersten Stufe mit hoher Ausführungsrate wird eine reaktive Kollisionsvermeidung basierend auf Potential Fields durchgeführt, die z.B. auch ein Ausweichen gegenüber mobilen Hindernissen erlaubt. Zur Beurteilung des Konzepts wurden verschiedene Hindernisszenarien erzeugt und die Ergebnisse aus der Simulationen visualisiert.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik [415410]