Autonomous Rotorcraft Testbed for Intelligent Systems (ARTIS) ist ein integriertes Gesamtsystem zur Entwicklung und Erprobung von Technologien und Komponenten für das autonome Fliegen. Es steht den Wissenschaftlern des Institutes zur Verfügung für Reglerentwicklung, Erprobung von Mensch-Maschine-Schnittstellen, Implementierung intelligenten Verhaltens oder Sensorfusion.
Weiterhin werden die Flugversuchsträger zur Gewinnung von Kamerabildern für die Bildverarbeitung und als Demonstrator neuer Technologien wie der Kollisionsvermeidung oder der optischen Navigation genutzt. Als Vertreter der Klasse der taktischen VTOL UAVs ist ARTIS auch für Drittmittelprojekte aus Verteidigung und polizeiliche Aufgaben interessant.
Das System ARTIS besteht aus den Flugversuchsträgern, der Bodenstation und einer umfangreichen Simulationsumgebung. Alle Komponenten wurden im Institut entwickelt und integriert, es besteht daher eine hohe Kompetenz und Gesamtsystemfähigkeit. Die Simulation ist eine wichtige Entwicklungshilfe und erlaubt umfangreiche Vortests, durch die gewählte Auslegung der Fluggeräte lassen sich Flugversuche mit verhältnismäßig geringem Aufwand durchführen. Daher können aktuelle Fragestellungen kurzfristig bearbeitet und in Flugversuchen evaluiert werden.
Kurze Entwicklungszyklen einerseits, eine langfristige Ergebnissicherung andererseits sowie kontinuierliche Verbesserung der Systemfähigkeiten und Upgrades machen die Anlage ARTIS konkurrenzfähig sowohl zu industriellen als auch universitären Einrichtungen.
ARTIS VTOL Versuchsträger
Als Flugversuchsträger und Technologiedemonstrator für aktuelle UAV Fragestellungen werden Kleinhubschrauber verwendet, deren Nutzlast eine folgende Ausstattung erlaubt:
- Bordrechner für Kommunikation, Navigation und Regelung,
- GPS Empfänger,
- Beschleunigungs- und Drehratensensoren,
- Magnetometer,
- verschiedene Datenlinks,
- Sonarhöhenmesser,
- Nutzlastrechner für Ansteuerung von Kameras und Bildverarbeitung,
- verschiedene Kamerasysteme.
Alle Komponenten werden in ein vibrationsgedämpftes Schienensystem am Helikopter eingehängt und sind durch ein großzügig dimensioniertes Landegestell geschützt. Für verschiedene Missionen kann das System durch seinen modularen Aufbau schnell umgerüstet werden. Derzeit (2009) sind zwei verschiedene Helikopter im Einsatz. Das Bild zeigt die Flugdemonstratoren midi- und maxiARTIS.
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ARTIS-Flugversuchsträger | |
Als zuverlässiges und leistungsfähiges Basissystem kommt ein kunstflugtauglicher Wettbewerbshubschrauber von etwa fünf Kilogramm Leergewicht und zwei Metern Rotordurchmesser zum Einsatz (midiARTIS). Neben vier Kilogramm Nutzlast, die für die Avionik verwendet werden, stehen etwa zwei Kilogramm als Experimentalnutzlast zur Verfügung. Angetrieben wird der Helikopter über einen Verbrennungsmotor.
Ein größerer Hubschrauber mit drei Metern Rotordurchmesser und maximal 25 kg Abfluggewicht ist seit 2006 im Einsatz (maxiARTIS). Angetrieben wird dieser durch eine Wellenleistungsturbine. Die Experimentalnutzlast ist mit etwa sechs Kilogramm ist wesentlich höher als beim kleineren Helikopter. Damit können beispielsweise mehrere Kameras oder schwere Sensoren wie Laserscanner an Bord verwendet werden. Zudem sorgt die Turbine für einen vibrationsärmeren Lauf.
Bodenstation
Wesentlicher Bestandteil eines jeden UAV-Systems ist die Bodenkontrollstation. Im Verlauf der UAV Aktivitäten sind im Institut unterschiedliche Konzepte verwirklicht worden, angefangen vom einfachen Tablet PC oder Laptop-System, über eine transportable Bodenstationsbox bis hin zu einem voll ausgestatteten Bodenstationsfahrzeug. Mittels verschiedener Datenlinks werden die Zustandsdaten von den UAV zu einer dieser Bodenstationen übertragen und stehen dann nahezu in Echtzeit zur Verfügung. Dies ermöglicht die Überwachung, Programmierung und Steuerung während der Experimente. Einem Operator stehen dafür Instrumente, Diagramme, numerische Displays, simulierte Außenansichten des Hubschraubers sowie eine Kartenansicht zur Verfügung. Als Redundanz steht ein Sicherheitspilot bereit, der den Hubschrauber notfalls mittels einer herkömmlichen Fernsteuerung steuern kann.
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ARTIS-Flugversuchsträger | |
Eine tragbare „Bodenstationsbox“ umfasst einen Computer sowie die für die Helikoptersteuerung verwendeten Datenverbindungen und ermöglicht den einfachen Transport der am Boden benötigten Hardware. Zur schnellen und reibungslosen Durchführung von Flugversuchen wird seit 2006 ein umgebautes Transportfahrzeug verwendet. In diesem Fahrzeug befinden sich drei vollständige Arbeitsplätze inklusive Hardware, Datenlink, internem Netzwerk und Stromversorgung. Darüber hinaus ist eine Befestigungsmöglichkeit für den gefahrenlosen Transport der Flugversuchsträgervorhanden.
Simulatoren und Testeinrichtungen
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Hardware-in-the-loop-Aufbau Bildverarbeitung |
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Parallel zur Hardwareentwicklung der ARTIS-Hubschrauber wurden umfangreiche Tools für die Modellierung, Simulation und Regelung eines Kleinhubschraubers entwickelt. Die sogenannte Software-in-the-loop-Simulation ermöglicht eine schnelle Erprobung neuer Verfahren und Technologien und die Anpassung von Parametern auf einem beliebigen Arbeitsplatzrechner. Bei Erfolg werden die gleichen Versuche im Labor in der sogenannten Hardware-in-the-loop-Simulation unter wesentlich realeren Bedingungen durchgeführt. Dabei wird die Originalhardware des Helikopters mit emulierten Sensoren verwendet. Ein entsprechendes Echtzeit-Simulationssystem zur Berechnung der Sensordaten aus angenommenem Modellverhalten und Umgebungsbedingungen steht zur Verfügung. Die Resultate kommen den Flugversuchen sehr nahe und die Wahrscheinlichkeit von Fehlversuchen ist damit stark reduziert.
Die Simulationen können mit einer eigenen Visualisierungsumgebung verknüpft werden, bei denen Versuche in einer 3D-Darstellung realer Umgebungen dargestellt werden. Derzeit sind 3D-Modelle von Braunschweig-Flughafen, Hannover-Flughafen und dem Ultraleicht-Fluggelände Hillerse in Verwendung.
Zur Simulation von Bildverarbeitungsversuchen ist ein spezieller HITL-Aufbau vorhanden, bei denen eine oder zwei Kameras Monitore abfilmen, auf denen die Visualisierungsumgebung der ARTIS-Simulation gezeigt wird. Damit können sowohl Bildverarbeitungsalgorithmen, als auch das Zusammenwirken von Bildverarbeitung und Flugsteuerung getestet werden. Spezielle Objekte wie künstliche Hindernisse können der Visualisierungsumgebung hinzugefügt werden, um entsprechende Flugversuche im Voraus zu erproben.