Termin


30.03.-01.04.2020

Berlin

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Leitung

Dr. Alexander Köthe
Dr. Alexander Köthe

Kontakt

Constantin Rang weiterbildung(at)dglr.de       +49 228 30805-20

Flugregelungsfunktionen für unbemannte Luftfahrzeuge

Auslegung und praktische Umsetzung von Flugreglungen für unbemannte Flächenflugzeuge

Kursbeschreibung

Unbemannte Luftfahrzeuge werden in Forschung und Industrie für vielfältigste Aufgaben eingesetzt. Aktuell dominieren Copter aufgrund ihrer einfache Handhabung und der sehr präzise arbeitenden, bereits vorinstallierten Flugregelung. Für das Abfliegen von längeren Strecken oder bei längerer gewünschter Einsatzzeit haben Flächenflugzeuge, bedingt durch ihr physikalisches Prinzip der Auftriebserzeugung, deutliche Vorteile gegenüber Copter.

Das PixHawk Projekt stellt neben der Hardware des Flugsteuerungssystems auch den OpenSource Autopiloten PX4 zur Verfügung. Dieser ist einfach zu konfigurieren und für eine Vielzahl von Flugmodellen anwendbar. Nichtsdestotrotz können anspruchsvolle Missionen nur dann effektiv erfüllt werden, wenn passende Flugregler verwendet werden, welche die Charakteristika der Regelstrecke mitberücksichtigen. Hier setzt der Weiterbildungskurs an.

Am ersten Tag werden der Aufbau und die Analyse eines flugdynamischen Modells für ein unbemanntes Flugzeug vermittelt. Darauf basierend werden am zweiten Tag die Flugregelungsfunktionen ausgelegt, mit denen sowohl eine manuelle Flugbahnführung mit Reglerunterstützung als auch der automatische Flug möglich sind. Zudem werden Entwicklungsaspekte und -methoden angerissen, die für die Entwicklung von sicherheitskritischen Systemen notwendig sind. Am letzten Tag des Kurses wird gezeigt, wie sich die selbstentwickelten Flugregelungsfunktionen in die Architektur des PX4 Autopilotensystems integrieren lassen. Dadurch können die Vorteile, welche die PixHawk Hardware bietet, weiter genutzt werden, jedoch gleichzeitig individuelle Flugregelungsfunktionen für das Flugzeug in die Software integriert werden. Jedem Teilnehmer wird für die Dauer des Kurses ein PixHawk zur Verfügung gestellt. Die Softwareentwicklung findet auf dem Laptop der Kursteilnehmer statt, sodass die Entwicklungen nach Ende des Kurses direkt für das eigene Projekt angewendet werden können.

Zielgruppe

Der Kurs richtet sich an Ingenieure und Wissenschaftler, die Flächenflugzeuge als Drohnen einsetzen wollen. Erste Erfahrungen im Bereich der Flugemechanik und/oder Regelungstechnik sind vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig. Eine solide Wissensbasis in der Beschreibung und Behandlung dynamischer System sollte aber vorhanden sein. Kenntnisse der Flugregelung werden nicht vorausgesetzt.

Inhalte

  • Streckenbeschreibung unbemannter Flugzeuge
    Um ein unbemanntes Luftfahrzeug regeln zu können, ist zuerst eine Modellierung der Flugdynamik notwendig. Hierzu werden Methoden vorgestellt, mit denen ein aerodynamisches Modell, sowie Massen- und Schubmodell aufgebaut werden können und in die Bewegungsdifferentialgleichungen integriert werden. Dadurch entsteht eine nichtlineare Flugsimulation, die anschließend linearisiert wird, um damit die dynamischen Eigenschaften des Flugzeuges für verschiedene Flugzustände zu ermitteln und zu bewerten.
  • Flugreglerfunktionen zur manuellen Flugbahnführung
    Unbemannte Flugzeuge werden vom Piloten über eine Fernbedienung gesteuert. Dabei ist der Empfänger im Flugzeug meist mit den Servomotoren gekoppelt. Durch das Zwischenschalten von Flugregelerfunktionen können die Flugeigenschaften verbessert und somit die manuelle Steuerung durch den Piloten erleichtert werden. Dadurch lassen sich auch schwierig zu steuernde Flugzeuge durch den Piloten sicher beherrschen.
  • Regler zur manuellen Flugbahnführung
    Unbemannte Flugzeuge werden vom Piloten über eine Fernbedienung gesteuert. Dabei ist der Empfänger im Flugzeug meist mit den Servo Motoren gekoppelt. Durch das Zwischenschalten eines Regelungssystems können die Flugeigenschaften verbessert und somit die manuelle Steuerung durch den Piloten erleichtert werden. Dadurch lassen sich auch schwierig zu steuernde Flugzeuge durch den Piloten sicher beherrschen.
  • Regler zur automatischen Flugbahnführung
    Neben der manuellen Bahnführung kann ein unbemanntes Flugzeug auch automatisch eine Trajektorie abfliegen. Hierzu werden zuerst Konzepte vorgestellt, bei denen der Flugregler das Flugzeug um alle drei Achsen stabilisiert und eine Lageregelung ermöglicht. Zudem wird ein Konzept zur Regelung der Geschwindigkeit eingeführt. Auf diesen „Basisautopiloten“ können weitere Flugregler aufgesetzt werden, die das Abfliegen von bestimmten Wegpunkten ermöglichen (Navigationsregler).
  • Implementierung der Flugregler
    Nach dem Entwurf der Reglerfunktionen müssen diese mit dem Flugzeug interagieren. Hierzu steht der Pixhawk zur Verfügung. Zuerst wird aus dem entwickelte Simulationsmodell Code generiert. Anschließend wird gezeigt, wie dieser Code, der die entwickelten Flugregelungsfunktionen beinhaltet, in die OpenSource Autopilotensoftware PX4 integriert wird. Dabei werden die Vorteile zur Datenerfassung und Ansteuerung von Servokanälen der Software beibehalten und nur die Flugregelungsfunktionen durch eigenen Code ersetzt.
  • Zulassungs- und Entwicklungsaspekte
    Flugregelungsfunktionen müssen nicht nur die Aufgabe erfüllen, sondern sie müssen auch sicher entwickelt werden. Hierzu sind aus der bemannten Luftfahrt Regularien bekannt, die auch in den aktuellen Verordnungen für unbemannte Luftfahrzeuge Anwendung finden. Eine dieser Regularien ist die RTCA DO-178 C, die Empfehlungen für die Entwicklung von Software (u.a. auch für Flugregelungsfunktionen) bietet. Die Integration dieser Empfehlungen wird vereinfacht dargestellt, um den Teilnehmern einen leichteren Einstieg in das Selbststudium zu ermöglichen.

    Methode

    Nach Darlegung eines theoretischen Fundamentes werden alle Inhalte durch die Teilnehmer selbst praktisch umgesetzt. Hierzu ist ein Laptop notwendig auf dem die kostenfreie Software SciLab/XCOS installiert sein muss. Die entwickelten Modelle und Rechen-Skripte können im Nachgang zum Kurs auch mit Matlab umgesetzt werden. Das Kurs-Material wird hierzu Ausführungen enthalten. Die Implementierung der Regler wird praktisch auf dem PixHawk demonstriert. Dazu wird jedem Teilnehmer für die Dauer des Kurses ein PixHawk zur Verfügung gestellt. Um die Reglerfunktionen auf dem PixHawk bzw. in die Software PX4 zu integrieren ist weitere Software notwendig, die am ersten Tag gemeinsam mit den Teilnehmern installiert wird.

    Sollten die Kursteilnehmer alle Zugang zu Matlab/Simulink besitzen, kann auch diese Software von Anfang im Rahmen des Kurses genutzt werden.

    Kursdauer: 3 Tage

    Abschluss

    Jeder Teilnehmer erhält ein Zertifikat zum Kurs.

    Leitung

    Dr.-Ing. Alexander Köthe, Technische Universität Berlin

    Veranstaltungsort

    Novotel am Tiergarten
    Straße des 17. Juni 106 - 108
    10623 Berlin


    Web: www.accorhotels.com/de/hotel-3278-novotel-berlin-mitte/index.shtml

    Tel.: 030 206740
    Fax: 030 20674111

    Kurs-Leistungen

    • Kursmaterial (Hand-out der Präsentationen)
    • Teilnahmezertifikat der DGLR
    • Kaffeepause am Vormittag mit Obst
    • Mittagessen
    • Kaffeepause am Nachmittag mit Kuchen
    • Tagungsgetränke im Raum

    Ansprechpartner

    Constantin Rang
    constantin.rang(at)dglr.de
    +49 228 308050