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II. Dynamische 3D-Flugsteuerung (Flight Control) des UAS

Eine erste große Herausforderung für den autonomen Indoorflug eines UAS als Trägerplattform für Applikationen - die allesamt über den Navigationsstatusvektor georeferenzierbar sind - besteht darin, dazugehörige Flight Control (FC) als Gesamtsystem in Hardware, Algorithmen und Software zu entwickeln.

Die autonomen Steuerungen und entsprechende Regelungsalgorithmen von Land-, Wasser und Luftfahrzeugen basieren generell auf der sog. Regelungsdifferenz, lediglich die Aktuatorik und die betreffenden Stellgrößen sind unterschiedlich. Unter der Regelung wird der fortlaufende Abgleich von „Ist auf Soll“ mit der Prämisse der Herstellung der Identität im Zeitraum einer Regelungsdauer verstanden. Die Flugphysik von UAS basiert mit dem in der Summe der einzelnen Propellerdrehzahlen erzeugten zeitabhängigen 3D Gesamtschubvektor f(t) sowie dem 3D-Gesamtdrehmomentvektor auf der Grundlage der Euler- und Newton-Gleichungen. Aus diesen lassen sich dann mit der Masse m und der Trägheitsmatrix J des UAS die 6 translatorischen und rotatorischen Geschwindigkeits- sowie und die 6 translatorischen und rotatorischen Beschleunigungsterme ermitteln.

Zur automatisierten Flugregelung entlang einer räumlichen Trajektorie werden nun – anders als bei der o.g. Fernsteuerung bzw. dem Joystick - der Soll-Zustand y(t)Soll bzw. die Regelabweichung e(t) ausschließlich über das Trajektorienprofil über zugewiesene Eigenschaften definiert. Dies sind in erster Instanz die Sequenz von zu durchfliegenden 3D-Raumpunkten P(i,Soll), welche die 3D-Trajektorie festlegen sowie das an die 3D-Trajektorie gebundene Geschwindigkeitsprofil (Geschwindigkeitsbetrag entlang der Trajektorie). Daraus ergibt sich in zweiter Instanz der bzgl. der Komponenten des navigierten Istzustandsvektors yt,Ist abzugleichender Regelabweichungsvektor e(t) . Dieser enthält die Komponenten der Positionsabweichung in der Querkomponente, der Geschwindigkeitsabweichung in der Querkomponente sowie der Geschwindigkeitsabweichung in der Längskomponente der Trajektorie.

Die Regelabweichungen führen auf einen PID-Regler für die beiden Querabweichungskomponenten und einen PI Regler für die Längsabweichung beim autonomen Trajektorienflug.

Trajektoriendefinition über das 3D-Polygon von gewünschten Wegpunkten Pi,Soll