Echtzeitfähige Minimierung der Trajektorienzeit in dichter Hinderniskulisse für einen unbemannten Hubschrauber

Abstract

Die automatisierte Planung von Flugbahnen ist eine Voraussetzung für den Einsatz unbemannter Hubschrauber in Umgebungen, in denen eine stabile Datenverbindung zur Bodenstation nicht gewährleistet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein echtzeitfähiges Verfahren für die Planung lokal begrenzter Bahnen vorgestellt, welches die Flugleistungen des Hubschraubers berücksichtigt und kurze Trajektorienzeiten auch in Umgebungen mit dichter Hinderniskulisse ermöglicht. Als Grundlage für die Planung werden aus linearen Segmenten bestehende kollisionsfreie Bahnen zum jeweiligen Zielpunkt verwendet, welche mithilfe eines Sampling-basierten Pfadplanungsalgorithmus’ erstellt werden. Dieser Ansatz entspricht einer Entkopplung der verschiedenen Anforderungen an die Flugbahnen, so dass eine schrittweise Erfüllung der Kollisionsfreiheit und der Durchführbarkeit und damit eine effiziente Bahnplanung möglich ist. Durch eine Begrenzung der Abweichung der geglätteten Bahnen von den linearen Bahnsegmenten wird inerseits die Kollisionsfreiheit gewährleistet und andererseits eine Berücksichtigung der in der globalen Planung verwendeten Gütekriterien vorgenommen. Im Fall einer Umplanung während des Fluges durch unbekanntes Gelände wird diese Begrenzung für einen lokalen Bereich aufgehoben, um einen sicheren Übergang auf die neue Flugbahn unter Berücksichtigung der dynamischen Grenzen des Hubschraubers zu erlauben. Anhand der in Simulationen erreichten Trajektorienzeiten für verschiedene ergleichsszenarien wird eine Einschätzung der Effizienz und Leistungsfähigkeit des vorgestellten Verfahrens in Relation zu den Ergebnissen aufwändiger numerischer Optimierungsverfahren zur Planung nahezu zeitoptimaler Flugbahnen vorgenommen.