Entwicklung einer optimierten Flugbahnplanungsmethode zum Zweck der Flugbereichsbestimmung für unbemannte Luftfahrzeuge

Abstract

Die Integration der wachsenden Anzahl unbemannter Luftfahrzeuge in das bestehende Luftverkehrssystem muss verschiedene Interessen bedienen und Anforderungen erfüllen. Zum einen besteht ein marktwirtschaftliches Interesse nach möglichst leistungsfähigen und preisgünstigen Systemen. Gleichzeitig werden hohe Anforderungen an die Sicherheit im Betrieb unbemannter Luftfahrzeuge gelegt. Zu diesem Themenkomplex gehört die Definierung der Flugbereichsgrenzen unbemannter Luftfahrzeuge, um durch deren Einhaltung ein sicheres Fliegen zu gewährleisten. Am Deutsches Zentrum für Luft‐ und Raumfahrt e.V. ﴾DLR﴿ wurde eine Methode entwickelt, diese Flugbereichsgrenzen effizienter als mit herkömmlichen, kostenintensiven Verfahren zu bestimmen. Dabei wird eine Modellierung der Flugbereichsgrenzen des Luftfahrzeuges vorgenommen, in dem ein analytisches Basismodell durch ein durch Messpunkte gestütztes Modell korrigiert wird. Die Auswahl der Messpunkte erfolgt sukzessive durch einen aktiv lernenden Algorithmus. Für die Umsetzung der Messpunkte in einer Flugversuchskampagne muss für das unbemannte Luftfahrzeug der Pfad geplant werden, auf dem es sich dort bewegt. Bei der Planung dieses Pfades müssen die kinematischen Einschränkungen und die Einhaltung der für den Flugversuch definierten Luftraumgrenzen eingehalten werden. Gleichzeitig soll der Pfad so geplant werden, dass die Messpunkte möglichst ohne Unterbrechung geflogen werden können. Sollte dies nicht möglich sein, soll die Zeit für Manöver zwischen den Messpunkten minimiert werden. Zu diesem Zweck wurde in dieser Arbeit ein Ansatz entwickelt, einen kontinuierlichen Pfad zu planen, der die durch die Messpunkte definierten Pfade möglichst effizient mit einander verbindet und so die Effizienz der Flugversuchskampagne maximiert. Auf Basis einer Quasi Monte‐Carlo‐Methode wurde ein Ansatz zur Findung neuer Startpunkte entwickelt, um bei der möglichen Überschreitung der Luftraumgrenzen durch den Pfad eines Testpunktes diesen neu im Luftraum zu positionieren. Zur Planung der Flugpfade während dieser Zwischenmanöver wurde die DUBINS‐Airplane‐Methode ausgewählt und zusammen mit den anderen erwähnten Ansätzen in MATLAB implementiert. Die Verbindung dieser Elemente erlaubt es, einen kontinuierlichen Pfad für eine Flugversuchskampagne zu planen, der garantiert, dass der begrenzte Luftraum nicht verlassen wird.