Entwicklung und Erprobung eines bordautonomen Flugführungskonzeptes für das Luftschiff ALUSTRA MOEWE

Abstract

Der heutige Einsatz von UAVs findet in vielen Bereichen statt. Deren Spektrum erstreckt sich von der zivilen Nutzung wie zum Beispiel bei Such- und Rettungsmissionen, Luftbildfotografie, industriellen Überwachungsaufgaben im Bereich Sicherheitsmanagement bis hin zu militärischen Einsätzen, wie Aufklärung, Überwachung, aber ebenso Kampfeinsätze. Im Rahmen des Forschungsvorhabens ALUSTRA MOEWE wird ein funktionsfähiges autonomes mit Helium befülltes Luftschiff aufgebaut, das als Kamera-Plattform für die 3DModellierung von Gebäuden und der Erdoberfläche zum Einsatz gelangen soll. Dazu werden Flugführungs- und Regelungstheorien zu einem durchgängigen Gesamtkonzept zusammengeführt, die es erlauben, unter Berücksichtigung der entsprechenden Gebäude beziehungsweise über die Landschaften fliegen und mittels einer digitalen Kamera Aufnahmen zu erstellen. Diese Aufnahmen sollen dann im Post-Processing für die Generierung der virtuellen Modelle herangezogen werden. Dieses Projektziel erfordert eine sehr geringe Trajektoriendynamik, damit die Aufnahmen keine Bewegungsunschärfe enthalten. Zudem ist die Anforderung an die Genauigkeit der geflogenen Trajektorie sehr hoch. Das dazu entwickelte Führungskonzept ist für diesen automatischen Abflug von Wegpunkten des eingesetzten Luftschiffs entwickelt worden. Bei dem hier ausgewählten Ansatz geht man vom Aufbau klar abgegrenzter funktioneller Prozesse und Abläufe aus. Der daraus resultierende, hierarchische, funktionsorientierte Architekturansatz ist in Form eines Drei-Ebenen-Architekturmodells realisiert. Die Modellbildung des Luftschiffes erfolgt als starrer Körper mit konstanter Masse sowie Trägheit. Das von Kämpf [15] übernommene Modell, mit modifiziertem Leitwerk auf ein Lambda Leitwerk, berücksichtigt in der Impulsbilanz keine internen Massenflüsse in den Differentialgleichungen. Vor der Reglerimplementierung wird die Dynamik des ungeregelten Luftschiffes eingehend untersucht. Dabei werden die erzielbaren Leistungen des Fluggerätes ebenso beachtet wie die Stabilitäts- und Steuereigenschaften, da diese die Grundlage für den Regelungsentwurf bilden und bereits a priori die maximal erreichbare Manöverleistung des Gesamtsystems definieren. Für den Reglerentwurf ist es notwendig, Anforderungen aus Sicht des Missionsauftrages zu definieren. Das Ziel ist, sich über die Regelungsziele und die Qualität des gewünschten und geforderten Systems Gedanken zu machen. Diese Wünsche und Anforderungen sowie deren physikalische und technische Einschränkungen und Grenzen müssen aus Sicht des Anwenders so ausführlich formuliert werden, dass sich daraus konkrete, regelungstechnische Beziehungen herleiten lassen. Nach der ausführlichen Beschreibung der Reglersynthese der einzelnen Regelungen und deren regelungstechnischen Analyse wird die Tauglichkeit durch Untersuchung des Verhaltens des geregelten Systems im Nominalfall, mit Modellunsicherheiten und unter Windeinfluss überprüft. Zusätzlich wird zu einem ein sogenannter „Iron-Bird“ als Systemprüfstand aufgebaut, welcher bei Entwicklung, Anpassung und Tests der Flugmissionen und der Systeme des Luftschiffes eingesetzt wird, um damit abschließend den Funktionsnachweis beim Einsatz auf dem realen Versuchsträger ALUSTRA I bei sehr geringer Trajektoriendynamik zu erbringen. Zum Schluss konnte mit einem autonomen Flug des Versuchsträgers ALUSTRA I gezeigt werden, dass das Flugführungskonzept die Anforderungen, die vorgegebene Trajektorie mit hoher Bandbreite und guter Führungsgenauigkeit, erfüllen kann. Die durchgeführte Mission sowohl in der HIL-Umgebung als auch auf dem Versuchsfeld besteht in Anlehnung an die Örtlichkeiten des Versuchsfeldes in Gauting im Freistaat Bayern.

The use of UAVs nowadays expands to numerous application areas. The range of applications extends from civilian use, such as search and rescue missions, aerial photography, and industrial monitoring tasks in security management, to military missions, such as reconnaissance, surveillance and combat deployment. As part of the research project ALUSTRA MOEWE, a functional autonomous airship filled with helium has been constructed in order to be employed as a camera platform for 3D modelling of buildings and ground surface. In that scope, flight guidance and control theories were brought together into a comprehensive holistic concept, capable of flying around and over the buildings or landscape respectively, and of delivering images using a digital camera with the image recordings being successively used in post-processing for the generation of virtual models. The project objectives require a flight trajectory of low order dynamics, in order for the recordings to contain no motion blur. Additionally, the requirements in terms of accuracy of the flown trajectory are very high. The guidance concept for this purpose has been based on the automatic deviation of the airship with respect to waypoints. The approach selected here results from structuring based on well-defined functional processes and procedures. The resulting hierarchical, function-oriented architecture approach is realized in the form of a three-level architecture model. The airship is modelled as a rigid body with constant mass and inertia. The model adopted by Kämpf [15], albeit with modified fin based on a lambda fin, takes into account no internal mass flow in the differential equations of the momentum balance. Before the controller implementation, the dynamics of the uncontrolled airship are thoroughly investigated. Herein the attainable performance as well as the stability and control characteristics of the aircraft are considered, as these form the basis for the controller design and a priori define the maximum achievable manoeuvre performance of the overall system. For the controller design, it is necessary to define requirements from the perspective of the Mission objectives. The target is to hence go about the control objectives and the quality of the desired and required system attributes. These desired deliverables and prerequisites as well as their physical and technical constraints and limitations need to be so elaborately formulated, from the user's point of view, on order to deduce concrete control engineering relations. After the detailed description and the respective control engineering analysis for the control synthesis of the various schemes, follows the suitability check through studying of the controlled system’s behaviour in the nominal case, taking into account model uncertainties as well as wind influence. Supplementary to the aforementioned investigations, a so-called "Iron Bird" is built as a system test-rig. The "Iron Bird" is utilised in the development, implementation and testing of the flight missions and the employed systems of the airship, in order to provide conclusive proof of function under very low trajectory dynamics for the prototype ALUSTRA I. Finally, through an autonomous flight of the test vehicle ALUSTRA I, it has been showcased that the flight control concept can satisfy the requirements of the predetermined trajectory with high control-bandwidth and good guidance accuracy. The mission has been executed in both the HIL environment as well as on the proving ground located in the area of the Gauting test field in Bavaria.