26. Oktober 2018

As­sis­tenz­sys­tem er­leich­tert Ver­bands­flug von be­mann­ten und un­be­mann­ten Luft­fahr­zeu­gen

FHS und superARTIS auf dem Vorfeld
FHS und su­per­AR­TIS auf dem Vor­feld
Bild 1/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

FHS und superARTIS auf dem Vorfeld

Die Flug­ver­su­che wur­den mit dem FHS und dem su­per­AR­TIS durch­ge­führt und ko­ope­ra­ti­ves Ver­hal­ten der Droh­ne er­probt. Da­bei wur­den die Po­si­ti­on- und Ge­schwin­dig­keits­da­ten über­mit­telt, um so die ge­gen­sei­ti­ge si­tua­ti­ve Wahr­neh­mung zu ver­bes­sern.
Flie­gen im Ver­band
Video 2/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Fliegen im Verband

Länge: 03:39 Minuten
Im Rah­men des Pro­jek­tes Flie­gen im Ver­band wur­den Al­go­rith­men ent­wi­ckelt, um den Ver­bands­flug von un­be­mann­ten und be­mann­ten Hub­schrau­bern zu er­mög­li­chen. Da­bei wur­den für den be­mann­ten Hub­schrau­ber An­zei­gen ent­wi­ckelt, die ei­ne ver­bes­ser­te si­tua­ti­ve Wahr­neh­mung be­reit­stel­len. Auf der Sei­te des un­be­mann­ten Hub­schrau­bers wur­den Al­go­rith­men ent­wi­ckelt, die ein ko­ope­ra­ti­ves Ver­hal­ten des un­be­mann­ten Hub­schrau­bers er­mög­li­chen. Die­se Al­go­rith­men wur­den in zwei Flug­ver­suchs­kam­pa­gnen er­probt und von den Pi­lo­ten po­si­tiv be­wer­tet. Da­bei wur­den di­ver­se Test­ma­nö­ver bei bis zu 85 Ki­lo­me­tern pro Stun­de er­probt, die an­schlie­ßend von den Pi­lo­ten mit­tels di­ver­ser Fra­ge­bö­gen be­ur­teilt wur­den. Zur Ver­bes­se­rung der Si­cher­heit wur­de ein Mo­dus ent­wi­ckelt, der es je­der­zeit er­mög­licht, die For­ma­ti­on zu be­en­den. Die­ser Mo­dus kann durch die Pi­lo­ten des be­mann­ten Hub­schrau­bers und au­to­ma­tisch durch den un­be­mann­ten Hub­schrau­ber aus­ge­löst wer­den, so­bald ei­ne po­ten­ti­ell ge­fähr­li­che Si­tua­ti­on ent­steht. Die Pi­lo­ten des be­mann­ten Hun­schrau­bers be­wer­te­ten das Sys­tem als po­si­tiv und be­stä­tig­ten ei­ne deut­li­che Re­du­zie­rung des Ar­beits­auf­wan­des.
FHS (Flying Helicopter Simulator) und superARTIS im geregelten Formationsflug
FHS (Fly­ing He­li­co­pter Si­mu­la­tor) und su­per­AR­TIS im ge­re­gel­ten For­ma­ti­ons­flug
Bild 3/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

FHS (Flying Helicopter Simulator) und superARTIS im geregelten Formationsflug

Es wur­den meh­re­re For­ma­ti­ons­flu­gal­go­rith­men ent­wi­ckelt und im Flug­ver­such er­probt. Das Ziel ist es, For­ma­ti­ons­flu­gal­go­rith­men zu ent­wi­ckeln, die die Ar­beits­last der Hub­schrau­ber­be­sat­zung ver­rin­gern. Die Droh­ne rea­giert au­to­ma­tisch auf die Be­we­gun­gen des be­mann­ten Hub­schrau­bers.
Bodenstationsfahrzeug mit Antennenaufbau zur Überwachung des Flugversuchs
Bo­den­sta­ti­ons­fahr­zeug mit An­ten­nen­auf­bau zur Über­wa­chung des Flug­ver­suchs
Bild 4/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Bodenstationsfahrzeug mit Antennenaufbau zur Überwachung des Flugversuchs

In der Bo­den­sta­ti­on wird der ge­sam­te Flug­ver­such über­wacht und ge­lei­tet. Die Bo­den­sta­ti­on des un­be­mann­ten Hub­schrau­bers su­per­AR­TIS wird hier zur Über­wa­chung un­ter­ge­bracht. Au­ßer­dem be­steht ei­ne dau­er­haf­te Da­ten­ver­bin­dung zu bei­den Luft­fahr­zeu­gen, um die Ver­bands­flu­gal­go­rith­men zu über­wa­chen.
Der unbemannte Forschungshubschrauber superARTIS
Der un­be­mann­te For­schungs­hub­schrau­ber su­per­AR­TIS (Au­to­no­mous Re­se­arch Test­bed for In­tel­li­gent Sys­tems)
Bild 5/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Der unbemannte Forschungshubschrauber superARTIS (Autonomous Research Testbed for Intelligent Systems)

Der un­be­mann­te For­schungs­hub­schrau­ber su­per­AR­TIS ist mit ei­ner um­fang­rei­chen In­stru­men­tie­rung aus­ge­stat­tet. Au­ßer­dem ver­fügt er über ei­nen DLR-ei­ge­nen Flug­steue­rungs­rech­ner der das Ver­hal­ten der Droh­ne z.B. im For­ma­ti­ons­flug re­gelt.      
Aufbringen der Bodenmarkierungen zur Definition der Testmanöver
Auf­brin­gen der Bo­den­mar­kie­run­gen zur De­fi­ni­ti­on der Test­ma­nö­ver
Bild 6/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Aufbringen der Bodenmarkierungen zur Definition der Testmanöver

Zur Eva­lu­ie­rung der Ver­bands­flu­gal­go­rith­men wur­den di­ver­se Ma­nö­ver ent­wi­ckelt, die der be­mann­te und un­be­mann­te Hub­schrau­ber im For­ma­ti­ons­flug durch­füh­ren. Die Ma­nö­ver sind un­ter­schied­lich "schwer" und tes­ten un­ter­schied­li­che As­pek­te des For­ma­ti­ons­flu­ges.
FHS (Flying Helicopter Simulator) im Anflug
FHS (Fly­ing He­li­co­pter Si­mu­la­tor) im An­flug
Bild 7/7, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

FHS (Flying Helicopter Simulator) im Anflug

Der FHS ist ein vom DLR mo­di­fi­zier­ter Hub­schrau­ber, mit dem mo­der­ne Flug­rege­lungs­al­go­rith­men und Steue­rungs­kon­zep­te er­probt wer­den. Er ver­fügt über ein Ex­pe­ri­men­tal­sys­tem, das al­le re­le­van­ten Mess­grö­ßen er­fas­sen kann. Für die­se Flug­ver­su­che wur­de ein An­ti­kol­li­si­ons­dis­play ent­wi­ckelt und ein Ta­blet in den Hub­schrau­ber ein­ge­rüs­tet, um die Droh­ne steu­ern und über­wa­chen zu kön­nen.
  • Assistenzsystem unterstützt Piloten bei gemeinsamen Flügen von unbemannten und bemannten Hubschraubern.
  • Testflüge haben erfolgreich stattgefunden.
  • Schwerpunkt(e): Luftfahrt, Unbemanntes Fliegen

Das Fliegen in einer Formation, beispielsweise bei Erkundungsflügen nach Naturkatastrophen, stellt für die Piloten beider Luftfahrzeuge immer eine besondere Herausforderung dar. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeitet an Lösungen, die die Piloten entlasten und so einen Formationsflug von bemannten und unbemannten Hubschraubern erleichtern. Das so genannte „Fliegen im Verband“ wurde nun in realen Flugversuchen untersucht.

Ein solcher Verband besteht dabei immer aus mindestens zwei Luftfahrzeugen, die ein Team bilden. Damit dies überhaupt möglich ist, müssen die beteiligten Luftfahrzeuge, sowohl bemannt als auch unbemannt, prinzipiell in der Lage sein, in Formation zu fliegen. "Während unserer Forschungsarbeiten haben wir drei mögliche Arten des Formationsfluges untersucht“, erklärt Andreas Voigt vom DLR-Institut für Flugsystemtechnik. "Dazu gehören der Wegpunktmodus, die Relative Navigation und der Korridormodus."

Bevor die realen Flugversuche mit einem unbemannten Hubschrauber der DLR-ARTIS-Familie (Autonomous Rotorcraft Testbed for Intelligent Systems) und dem DLR-Forschungshubschrauber FHS (Flying Helicopter Simulator), einer modifizierten Eurocopter EC135, stattfinden konnten, musste das System ausgiebig im Simulator getestet werden. Die Piloten des DLR erprobten das Assistenzsystem und die drei verschiedenen Modi im Hubschraubersimulator des Simulatorzentrums AVES (Air Vehicle Simulator) und bewerteten es.

Drei verschiedene Formationsszenarien

Den Anfang jedes gemeinsamen Teamflugs bildet der Pairing Modus. In diesem wird der Ausgangszustand für den Verbandsflug geschaffen: Die Luftfahrzeuge nähern sich einander an und bilden eine stabile Formation.

Ist dies geschehen, kann der Pilot beispielsweise in den Wegpunktmodus schalten. Bei diesem fliegt das UAS (Unmanned Aircraft System) einen Pfad anhand von vorgegebenen Wegpunkten exakt ab. Der bemannte Hubschrauber folgt ihm manuell durch den Piloten gesteuert analog zu einem Formationsflug von zwei bemannten Hubschraubern.

Eine andere Möglichkeit ist die relative Navigation. Hier wird der unbemannte Hubschrauber relativ zum bemannten positioniert. Das UAS fliegt automatisch vorweg, passt aber sein Flugverhalten dem des bemannten Hubschraubers an und muss die Position selbstständig halten. "Sinn und Zweck der relativen Navigation ist es, einen Flug im engen Verband zu ermöglichen", erklärt Voigt. "Sie kann zum Beispiel zur Entlastung der Besatzung bei Überführungsflügen eingesetzt werden." Fliegt man eine solch enge Formation ohne ein Assistenzsystem, bedeutet das eine hohe Arbeitsbelastung für die Piloten, da die Position innerhalb des Verbandes immer manuell eingehalten und visuell kontrolliert werden muss. Das von den Wissenschaftlern entwickelte Assistenzsystem übernimmt diese Aufgaben, indem das UAS die Position durch einen Algorithmus von selber hält und die UAS-Position zusätzlich durch ein Antikollisionsdisplay dargestellt wird.

Das dritte Szenario ist der so genannte Korridormodus. Dabei fliegt das UAS einen zuvor berechneten Flugpfad innerhalb eines Korridors ab, der bemannte Hubschrauber folgt ihm in sicherem Abstand. Der Pfad ist nicht so streng festgelegt wie der im Wegpunktmodus. Kommen sich in diesem Szenario bemannter und unbemannter Hubschrauber zu nahe, darf das unbemannte Luftfahrzeug innerhalb des vorgegebenen Korridors frei ausweichen. So können die Flugbewegungen auch entsprechend voneinander abweichen. Das Sagen hat auch hier der bemannte Hubschrauber. Damit die Arbeitslast für die Piloten möglichst klein gehalten wird, muss das UAS selbständig im Sichtbereich des bemannten Hubschraubers bleiben. Ist dies nicht möglich, schaltet das System automatisch in den Modus der relativen Navigation. Besonders in arbeitsintensiven Situationen soll durch diese Modi die Arbeitslast aufgrund des kooperativen Verhaltens des UAS deutlich reduziert werden. Außerdem ist das UAS in der Lage, im Falle einer kritischen Situation den Formationsflug automatisch zu beenden.

Zwei Modi im Flugversuch bewertet

Danach stand den realen Flugversuchen auf dem Flughafen Magdeburg-Cochstedt nichts mehr im Wege. Der unbemannte superARTIS und der DLR-Forschungshubschrauber FHS flogen in mehreren Versuchen zwei der drei im Simulator erprobten Modi: den Wepunkt- und den Korridormodus.

"Die Erprobung der Modi lief praktisch reibungslos und wir konnten vor allem den vielversprechenden Korridormodus ausgiebig testen. Die offensichtliche Entlastung und die zunehmende Akzeptanz der Piloten hat uns besonders gefreut", sagt Voigt über die erfolgreichen Flugversuche. "Als nächstes hoffen wir auf eine breiter angelegte Erprobungskampagne in der wir die Modi in weiteren Testmanövern durch externe Piloten bewerten lassen können."

Kontakt
  • Jasmin Begli
    Kom­mu­ni­ka­ti­on Braun­schweig, Cochs­tedt, Sta­de, Trau­en
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Po­li­tik­be­zie­hun­gen und Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 531 295-2108
    Lilienthalplatz 7
    38108 Braunschweig
    Kontaktieren
  • Andreas Voigt
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für Flug­sys­tem­tech­nik
    Telefon: +49 531 295-3212
    Lilienthalplatz 7
    38108 Braunschweig
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