Termin & Ort

14.04. - 16.04.2021
ONLINE KURS

Teilnahmegebühr

990,00 EUR
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Teilnahme - 990,00 EUR
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DGLR-Mitglied - 950,00 EUR
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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 ONLINE Kurs

Kursbeschreibung

Unbemannte Luftfahrzeuge werden in Forschung und Industrie für vielfältigste Aufgaben eingesetzt. Aktuell dominieren Copter aufgrund ihrer einfachen 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 Coptern.

Das Pixhawk Projekt stellt neben der Hardware des Flugsteuerungssystems auch den Open-Source-Autopiloten PX4 zur Verfügung. Dieser ist einfach zu konfigurieren und für eine Vielzahl von Flugmodellen anwendbar. Nichtsdestotrotz können anspruchsvolle Missionen nur dann effektiv und sicher geflogen 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. Hierzu wird der Nano Talon verwendet. In der virtuellen Flugtestumgebung (alphalink-vfte.com) können die Teilnehmenden ihre erworbenen Kenntnisse direkt praktisch anwenden. Darüber hinaus wird vermittelt, aus welchen Komponenten ein Flugregelungssystem besteht. Aus den Datenaufzeichnungen der virtuellen Flugversuche wird mit den Teilnehmenden gemeinsam erarbeitet, wie und durch welche Funktionen Flugregler den Betrieb von Flächenflugzeugen vereinfachen können. Darauf aufbauend werden am zweiten Tag die Flugregelungsfunktionen ausgelegt, mit denen sowohl eine manuelle Flugbahnführung mit Reglerunterstützung als auch der automatische Flug möglich sind. Die Teilnehmenden testen ihre ausgelegten Funktionen anschließend in virtuellen Flugversuchen und evaluieren basierend auf ihrer Wahrnehmung und den numerischen Flugtestdaten, wie gut die ausgelegten Regler ihre Funktion erfüllen. Der dritte Tag nutzt die Regelkreisstrukturen vom Vortag um einen Regler zu erarbeiten, mit dem Wegpunkte abgeflogen und das Flugzeug an einem definierten Punkt gelandet werden kann. Der ausgelegte Regler wird abschließend wieder in der virtuellen Flugtestumgebung getestet. Nach der Auslegung der Reglerfunktionen werden Entwicklungsaspekte und -methoden angesprochen, die für die Entwicklung von sicherheitskritischen Systemen notwendig sind. Abschließend wird gezeigt, wie sich die selbstentwickelten Flugregelungsfunktionen in die Architektur des PX4 Autopilotensystems integrieren lassen. Hierzu wird als Hardware-Modell das fliegende Labor der Firma AlphaLink verwendet. Die erworbenen Kenntnisse können von den Teilnehmenden anschließend auf jedes beliebige Flugzeug mit PX4 Autopiloten angewendet werden.

Der Kurs findet als Online-Weiterbildung statt. Wissen wird in synchronen Veranstaltungen vermittelt, in denen die Teilnehmenden jederzeit Fragen stellen können. Asynchrone Videos, die jederzeit aufgerufen werden können, fassen das vermittelte Wissen zusammen. Allen Teilnehmenden wird für die Dauer des Kurses ein Zugang für die virtuelle Flugtestumgebung gegeben, um die ausgelegten Flugregler praktisch zu erproben. Für die Reglerentwicklung wird Scilab/Xcos oder, wenn bei allen vorhanden, MATLAB/Simulink verwendet. Das erarbeitete Wissen kann nach Ende des Kurses direkt für eigene Projekte angewendet werden.

 

Zielgruppe

Der Kurs richtet sich an Ingenieur*innen und Wissenschaftler*innen, die Flächenflugzeuge als Drohnen einsetzen wollen. Erste Erfahrungen im Bereich der Flugmechanik und/oder Regelungstechnik sind vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig. Eine solide Wissensbasis in der Beschreibung und Behandlung dynamischer Systeme sollte vorhanden sein. Kenntnisse der Flugregelung oder vertiefte Kenntnisse in der Regelungstechnik 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 Pilot*innen über eine Fernbedienung gesteuert. Dabei ist der Empfänger im Flugzeug meist mit den Servomotoren gekoppelt. Durch das Zwischenschalten von Flugreglerfunktionen können die Flugeigenschaften verbessert und somit die manuelle Steuerung erleichtert werden. Dadurch lassen sich auch schwierig zu steuernde Flugzeuge im manuellen Flug sicher beherrschen.
  • Regler zur automatischen Flugbahnführung
    Neben der manuellen Bahnführung kann ein unbemanntes Flugzeug auch automatisch eine Trajektorie abfliegen. Hierzu werden Vorgabewerte und Wegpunkte über eine Bodenstation vorgegeben. Es 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).
  • Filterung und Schätzung von Messdaten
    Regler funktionieren nach dem Prinzip, dass Sollwerte mit Messwerten abgeglichen werden. Diese Messwerte überlagern die physikalische Information mit störendem Messrauschen. Um diese, meist hochfrequenten Rauschanteile, nicht bei der Regelung zu verwenden, wird die Auslegung von Filtern im Kurs diskutiert. Oftmals steckt eine bestimmte physikalische Information in mehreren Sensorwerten. Um ein besseres, konsolidiertes Signal für die Regelung zur erhalten, wird die Methode der komplementären Filterung eingeführt. Zudem stehen meist nicht alle gewünschten Messdaten zur Verfügung oder nicht mit der Frequenz, mit der die Regelung arbeitet. Hierzu müssen über sogenannte Beobachter Messwerte geschätzt werden. Die Methode der Filterung und komplementären Filterung wird praktisch angewendet. Die Schätzung von Messdaten über Beobachter erfolgt an einfachen Beispielen, um den Teilnehmenden einen Einstieg in diese Methode zu ermöglichen.
  • Implementierung von Flugreglern  
    Nach dem Entwurf der Reglerfunktionen müssen diese mit dem Flugzeug interagieren. Hierzu steht der Pixhawk zur Verfügung. Zuerst wird aus dem entwickelten Reglermodell Code generiert. Anschließend wird gezeigt, wie dieser Code, der die entwickelten Flugregelungsfunktionen beinhaltet, in die Open-Source-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 ihre technische 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-178C oder RTCA DO-331, welche Empfehlungen für die Entwicklung von Software (u. a. auch für Flugregelungsfunktionen) bietet. Die Integration dieser Empfehlungen wird vereinfacht dargestellt, um den Teilnehmenden einen leichteren Einstieg in das Selbststudium zu ermöglichen.

    Methode

    Nach Darlegung eines theoretischen Fundamentes in synchronen Sitzungen werden alle Inhalte durch die Teilnehmenden selbst praktisch umgesetzt. Hierzu wird die browserbasierte virtuelle Flugtestumgebung alphalink-vfte.com genutzt, auf der sich Interessierte schon vor Beginn der Weiterbildung registrieren können. Es wird die Nutzung eines Joysticks mit mindestens zwei Achsen empfohlen. Die Steuerung kann jedoch auch über die Maus erfolgen. Die Auslegung der Regler erfolgt mit der kostenfreien Software Scilab/Xcos, die vor Kursbeginn von allen installiert werden sollte. 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 auf dem Pixhawk wird vom Dozenten am fliegenden Labor der Firma AlphaLink demonstriert und es werden Hinweise zur Umsetzung auf anderen Hardware-Systemen für eigene Projekte gegeben. Sollten alle Kursteilnehmenden Zugang zu MATLAB/Simulink besitzen, kann auch diese Software von Anfang im Rahmen des Kurses genutzt werden.

    Kursdauer: 3 Tage ONLINE Kurs

    Abschluss

    Jeder Teilnehmer erhält ein Zertifikat zum Kurs.

    Leitung

    Dr.-Ing. Alexander Köthe, Technische Universität Berlin

    Veranstaltungsort

    ONLINE Kurs

    Kurs-Leistungen

      • Synchrone Sitzungen zur Wissensvermittelung und Anwenden von Wissen
      • Asynchrone Videos mit einer Zusammenfassung des vermittelten Wissens
      • Kursmaterial (Hand-out der Präsentationen)
      • Zugang zum virtuellen Flugtestumgebung alphalink-vfte.com (PREMIUM)
      • Teilnahmezertifikat der DGLR

      Ansprechpartner

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