Nach dem Studium der Luft- und Raumfahrt-technik nahm Alexander Joos Ende 2007 am Institut für Flugmechanik und Flugregelung der Universität Stuttgart eine Stelle als wissenschaft-licher Mitarbeiter an. Seit Anfang 2014 arbeitet er dort als Post-Doc. Mitte 2014 wurde er zum Akademischen Rat ernannt.

Der Schwerpunkt seiner Forschungsarbeiten liegt auf der Automatisierung bemannter und un-bemannter Flugzeuge und helikopterähnlicher Systeme, mit dem speziellen Fokus auf der Flug-regelung und Bewegungsplanung. Ergebnisse und Weiterentwicklungen seiner Arbeiten finden in verschiedenen Fluggeräten praktische An-wendung. Er betreut mehrere Doktoranden und Studenten und hat bereits über 15 studentische Abschlussarbeiten begleitet. Darüber hinaus hat er mehrere Lehrveranstaltungen im Bereich der Flug regelung und der Flugmechanik aufgebaut und gehalten. Neuerdings unterstützt und ver-tritt er zudem die Institutsleitung in organisato-rischen Angelegenheiten.

Forschungsbeitrag zur Luft- und Raumfahrt-technik

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Die Anwendungsgebiete für unbemannte Fluggeräte (engl. unmanned aerial system, UAS) sind zahlreich und es kommen ste-tig neue Einsatzbereiche hinzu. Ein Grund hierfür ist, dass ihr Betrieb selbst unter risiko reichen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise bei Großbränden oder Kraft-werksunglücken, keinen Piloten in Gefahr bringt. Weiterhin sind die Nutzlasten (z. B. Kameras) für viele Anwendungen heute in immer kompakterer Form und mit gerin-gerem Gewicht verfügbar, wodurch zuneh-mend kleine UAS mit wenigen Kilogramm Gesamtmasse als Träger einsetzbar werden. Der Betrieb von UAS wird dadurch immer einfacher, die Beschaffungs- und Betriebs-kosten sinken, sie können einfach transpor-tiert werden und in der Regel kann auf auf-wändige Infrastruktur, beispielsweise große Flugplätze, verzichtet werden. Außerdem wird der Betrieb von UAS durch die zuneh-mende Automatisierung für Anwender im-mer unkomplizierter. Aus diesen Gründen sind kleine UAS bereits heute bemannten Fluggeräten in vielen Anwendungen über-legen.

Einsatzgebiete Messflüge in Windparks: UAS eröffnen völ-lig neuartige Anwendungen, beispielsweise in der Umweltphysik und der Meteorologie. Aufgrund ihrer geringen Größe ermöglichen sie unter anderem Flüge und damit Wind-

Dr. Alexander JoosUnbemannte Fluggeräte: Vorteile, Anwendungen und Technische Herausforderungen

Kurzzusammenfassung:

Unbemannte Fluggeräte (UAS) bieten einzigartige Vorteile, wie die Einsatzfähig-keit in risikoreicher Umgebung, der geringe Aufwand im Betrieb durch zuneh-mende Miniaturisierung, sowie geringe Kosten. Sie werden deswegen bereits in einer Vielzahl von Anwendungen, wie der Meteorologie, der Erdvermessung oder bei Suchaktionen eingesetzt und die Zahl der Einsatzfelder wächst stetig. Viele dieser Anwendungen werden erst durch Autopilotensysteme mit entsprechenden Algorithmen und Bordrechnern ermöglicht. Durch die zunehmende Miniaturi-sierung der UAS sinkt jedoch die Nutzlastkapazität der UAS für Autopilotensys-teme, was die Entwicklung effizienter Algorithmen und Bordrechner erfordert. Zu diesen Aspekten des Betriebs von UAS gibt das vorliegende Dokument einen kurzen Überblick.

Abbildung 1:

Windkraftanlage und UAS der

Universität Tübingen, ausge-

stattet mit Bordrechner und

Autopiloten-Algorithmen des

Instituts für Flugmechanik und

Flugregelung (iFR), Universi-

tät Stuttgart. Das UAS führt

zwischen Windkraftanlagen

Windmessungen durch.

Quelle: Referenz [1], Foto

aufgenommen von Joe Smith

(Universität Tübingen).

44 Joos: Unbemannte Fluggeräte

Universität Stuttgart, ob sich handelsübliche Kameras und kleine UAS zur Gewinnung sol-cher Bilddaten eignen [3]. Dazu wurde ein automatisch fliegendes UAS (Spannweite ca. 1,4 m) mit einer Digitalkamera ausgestattet und ein zu kartierendes Testgebiet (Abbil-dung 3), systematisch beflogen. Die mehr als 600 aufgenommenen Luftbilder konn-ten erfolgreich zur Erstellung von digitalen Oberflächenmodellen, Orthofotos und auch Karten mit Höheninformationen verwendet werden.

Kostengünstige Suchaktionen in schlecht zugänglichem Gebiet: In unbesiedelten und schlecht erschlossenen Gebieten können UAS für die Suche nach vermissten Personen oder Gegenständen eingesetzt werden. In Zusammenarbeit mit der Firma Astos Solu-tions wurde im Norden Skandinaviens mit Hilfe eines UAS die Suche nach einem Teil

und Turbulenzmessungen zwischen Wind-energieanlagen in Windparks (Abbildung 1). Die so gesammelten Informationen können dazu verwendet werden, Windräder mög-lichst effektiv zu positionieren und zu betrei-ben. Das in Abbildung 1 und 2 dargestellte UAS mit ca. 3 m Spannweite ist für solche Messflüge an Bord mit Nutzlastsensoren für Windgeschwindigkeit, Luftdruck und Tem-peratur ausgestattet [1, 2].

Kartierung der Erde: Eine weitere Anwen-dung ist die Photogrammetrie, deren Haupt-aufgabe in der dreidimensionalen Vermes-sung und Modellierung der Erde liegt. Zu diesem Zweck werden Bildaufnahmen ver-wendet, die aus verschiedenen Blickwinkeln, oftmals aus der Luft, aufgenommen wurden. Da kleine UAS mit geringem Aufwand und Kosten betrieben werden können, unter-suchte das Institut für Photogrammetrie der

Abbildung 2 (links):

Detailansicht des UAS von

Abbildung 1.

Quelle: iFR.

Abbildung 3 (rechts):

Steinbruch bei Vaihingen/Enz.

Quelle: Referenz [3].

45Joos: Unbemannte Fluggeräte

ten eingesetzt werden. Neuerdings gibt es sogar Überlegungen UAS zum Ausliefern von Paketen zu verwenden.

Autopilotensystem mit Bordrechner und Automatisierungsfunktionalitäten

Der Betrieb unbemannter Fluggeräte wird durch Autopilotensysteme an Bord stark er-leichtert und häufig sogar erst ermöglicht. Der Anwender muss sich durch die Verwen-dung eines Autopilotensystems nicht um die eigentliche Steuerung des Fluggeräts kümmern. Er kann dem Autopiloten eine

einer Forschungsrakete durchgeführt. Das unbewohnte und schwer zugängliche Such-gebiet ist in Abbildung 4 als ovaler Bereich dargestellt. Ein Teil dieses Gebietes wurde mit einem bemannten Helikopter abgesucht (hellgrüner Bereich). Aus Kostengründen wurden große verbleibende Teile des Suchge-biets mit einem UAS beflogen und mit einer an Bord befindlichen Digitalkamera fotogra-fiert (dunkelgrüne Linien in Abbildung 4).

Aufgrund der großen Ausdehnung des Suchgebiets und dessen schlechter Zugäng-lichkeit wurde diese Befliegung vollständig automatisch mit Hilfe eines Autopilotensys-tems durchgeführt, größtenteils außerhalb der Sichtweite des Bodenpersonals und der Reichweite einer Funkverbindung. Das UAS legte eine Strecke von mehr als 250 km zu-rück und erzeugte dabei über 7.000 Bilder, die eine Fläche von ca. 8 km2 abdecken.

Weitere Anwendungen: Der Katastrophen-schutz ist ein weiteres mögliches Einsatz-gebiet. UAS können das Rettungspersonal bei Bränden oder Kraftwerksunfällen durch Luftbildaufnahmen und Schadstoffmessun-gen unterstützen. Andere Anwendungsge-biete sind die Dokumentation von Baustel-len, historischen Bauwerken, Flurschäden oder Lawinenunglücken.

UAS können außerdem für die Überwachung von Pipelines, Verkehrsstaus, Großereignis-sen oder für die Pistenkontrolle in Skigebie-

Abbildung 4:

Suchgebiet im Norden Skandi-

naviens. Dunkelgrüne Linien

zeigen die automatisch abge-

flogenen Flugpfade des UAS.

Quelle: iFR, Astos Solutions

GmbH.

46 Joos: Unbemannte Fluggeräte

steht aus einem Bordrechner mit verschiede-nen Automatisierungsfunktionalitäten, der Sensormessungen erhält und Steuerkom-mandos für das Fluggerät generiert.

Wichtige Beispiele für Automatisierungs-funktionalitäten sind in der folgenden Auf-listung kurz beschrieben:

• Die Umgebungserkennung erstellt mit Hilfe geeigneter Sensoren (Kameras, Laser, etc.) eine Karte der Umgebung und lokalisiert Hindernisse.

• Die Zustandserkennung und Fehlerdetek-tion verwenden Sensoren wie GPS, Mag-netometer, inertiale Messeinheiten (engl.

Mission (z. B. abzufliegende Wegpunkte) von einer Bodenstation aus vorgeben. Diese Mission wird dann automatisch ausgeführt. Der Arbeitsaufwand wird dadurch drastisch reduziert und das Bodenpersonal kann sich z. B. mit Hilfe der Bodenstation auf die Über-wachung des automatisch fliegenden UAS konzentrieren. Dadurch können selbst un-geübte Anwender diese UAS relativ einfach einsetzen. Weiterhin können viele der Auf-gaben in den beschriebenen Einsatzgebieten mit Hilfe von Autopiloten exakt ausgeführt werden, selbst in großen Entfernungen und bei schlechten Sichtbedingungen.

Abbildung 5 zeigt schematisch die typische Struktur eines Autopilotensystems. Es be-

Abbildung 5:

Schematische Darstellung

eines Autopilotensystems.

Quelle: Eigene Abbildung. Sensoren Bordrechner Steuerung des Fluggeräts

Querruder

Höhenruder

Seitenruder

Schub

…

Algorithmen für Umgebungserkennung, Bewegungs planung, Fehler detektion, …

Barometer

Differenzdruck

GPS

IMU

Magnetometer

…

47Joos: Unbemannte Fluggeräte

auf unerwartete Umgebungsbedingungen und Störungen in geeigneter Weise reagieren können.

Technische Herausforderungen

Bei der Entwicklung von Autopilotensyste-men ergeben sich jedoch durch die zuneh-mende Miniaturisierung der UAS und die neuen Anwendungsfelder ganz neue techni-sche Herausforderungen.

Lösungsansätze für die genannten Automa-tisierungsfunktionalitäten basieren häufig auf komplexen Methoden wie beispielsweise nichtlinearen Schätzverfahren oder nicht-linearen Optimierungen mit Beschränkungen (vgl. z. B. [4]). Sie sind daher in der Regel ext-rem rechenaufwändig. Bei klei-nen UAS mit limitierter Nutz-last und damit begrenzter Rechenkapazität an Bord sind sie oftmals kaum anwendbar. Um kleine UAS umfangreich und sicher ein-setzen zu können, liegt eine der großen He-rausforderungen somit in der Entwicklung neuer hocheffizienter Automatisierungsal-gorithmen und Bordrechner.

Am Institut für Flugmechanik und Flug-regelung (iFR) der Universität Stuttgart werden Bordcomputer und speziell dazu passende Automatisierungsalgorithmen ent -

Inertial Measurement Unit, IMU), baro-metrische Höhenmesser und Differenz-drucksensoren, um unter anderem die Po-sition, Ausrichtung, Fluggeschwindigkeit und Flugrichtung des UAS zu bestimmen. Außerdem werden Fehlfunktionen am UAS erkannt und an die anderen Funktio-nalitäten gemeldet, damit dort entspre-chende Maßnahmen ergriffen werden können.

• Die Bewegungsplanung und -umsetzung generiert ausgehend von der aktuellen Po-sition, Ausrichtung und Geschwindigkeit ein Bewegungskommando derart, dass ein gewünschter Zielpunkt auf möglichst op-timale Weise erreicht wird. Limitierungen des UAS, Umgebungsbeschränkungen und durch die Anwendung gegebene Be-grenzungen müssen dabei berücksichtigt werden. Das Bewegungskommando wird durch entsprechende Ruderausschläge und Motorkommandos umgesetzt.

UAS, die sich mit Hilfe vieler solcher Auto-matisierungsfunktionalitäten völlig selbst-bestimmt verhalten können, werden als au-tonom bezeichnet. Fluggeräte, die nur über einige dieser Funktionalitäten verfügen, wer-den teilautonom oder automatisch genannt. Aus Gründen der Entlastung des Bodenper-sonals und der Sicherheit ist für UAS ein mög-lichst hoher Grad an Autonomie vorteilhaft, da sie dadurch viele Aufgaben ohne aktives Einwirken des Anwenders erfüllen und auch

„Automatisierte Fluggeräte sind schwie-rig zu entwickeln, jedoch einfach zu betreiben.“ Dr. Alexander Joos

48 Joos: Unbemannte Fluggeräte

Trotz einiger Erfolge in der Entwicklung effi zienter Bordcomputer und Automatisie-rungsalgorithmen warten noch vielfältige technische Herausforderungen, die es auch in Zukunft weiter anzugehen gilt, um einen noch umfangreicheren, sicheren und für den Anwender noch einfacheren Einsatz die-ser in vielen Bereichen nützlichen Helfer zu ermöglichen.

wickelt, die auf kleine UAS zugeschnitten sind (siehe z. B. [5 – 8]). Die dabei verfolgte Strategie besteht darin, programmierbare Hardware-Module, sogenannte Field Pro-grammable Gate Arrays (FPGAs), als Kopro-

zessoren für Bordrechner zu verwenden und darauf maß-geschneiderte Algorithmen zu entwickeln und effizient zu implementieren. In früheren Arbeiten des iFR wurde gezeigt, dass dieser Weg eine sehr effek-

tive Ausführung z. B. der Bewegungsplanung und der Zustandserkennung, selbst mit ge-ringer Rechenleistung, erlaubt.

Dadurch wird die Verwendung dieser Auto-matisierungsfunktionalitäten auf kleinen UAS möglich und der vollständig autonome Betrieb dieser Fluggeräte rückt, aus Sicht der technischen Machbarkeit, ein Stück näher.

Fazit

Die Vorteile von UAS sind ihre Kompakt-heit, die damit verbundenen geringen An-forderungen an Infrastruktur, die niedrigen Anschaffungs- und Betriebskosten sowie der risi koarme Betrieb. Sie werden deshalb bereits heute für viele Aufgaben eingesetzt. Jedoch ist die Nutzlastfähigkeit für Bordrech-ner bei kleinen UAS stark begrenzt, was die Ausführung von Automatisierungsfunktio-nen an Bord stark erschwert.

„Durch Automatisierung wird Fliegen so einfach werden wie Autofahren.“Dr. Alexander Joos

49Joos: Unbemannte Fluggeräte

Literaturverzeichnis

[1] Wildmann, N., Hofsäß, M., Weimer, F., Joos, A., and Bange, J.: MASC – A small Remotely Piloted Aircraft (RPA) for Wind Energy research, “Advances in Science and Research”, submit-ted for publication, 2014.

[2] Wildmann, N., Bange, J., and Hofsäss, M.: A „Remotely Piloted Air System“ (RPAS) as complementary measurement tool for wind energy site evaluation, using the example of the project „Lidar Complex“ EMS Annual Meeting Abstracts Vol. 10, EMS2013-486, 2013, 13th EMS / 11th ECAM.

[3] Haala, N., Cramer, M., Weimer, F., Trittler, M.: Performance Test on UAV-Based Photo-grammetric Data Collection, UAV-g (unmanned aerial vehicle in geomatics) Conference, 14.–16. September 2011, Zurich, Switzerland.

[4] Goerzen, C., Kong, Z., and Mettler, B.: A Survey of Motion Planning Algorithms from the Perspective of Autonomous UAV Guidance. Journal of Intelligent and Robotic Systems 57 (2010), pp. 65 – 100.

[5] Weimer, F., Trittler, M., Joos, A., Gros, M., Posch, A., and Fichter, W.: FPGA-Based Onboard Computer System for Mini Aerial Vehicles, International Micro Air Vehicle Conference and Flight Competition , 6. – 9. July 2010, Braunschweig, Germany.

[6] Joos, A., Fichter, W.: Parallel Implementation of Constrained Nonlinear Model Predictive Controller for an FPGA-based Onboard Flight Computer, „Advances in Aerospace Guidance, Navigation and Control“, Springer Verlag, Berlin, 2011, pp. 273 – 286, ISBN 978-3-642-19816-8.

[7] Gros, M., Niendorf, M., Schöttl, A., and Fichter, W.: Motion Planning for a Fixed-Wing MAV Incorporating Closed-Loop Dynamics Motion Primitives and Safety Maneuvers, „Advances in Aerospace Guidance, Navigation and Control“, Springer Verlag, Berlin, 2011, pp. 247 – 260, ISBN 978-3642198168.

[8] Joos, A., Müller, M. A., Baumgärtner, D., Fichter, W., and Allgöwer, F.: Nonlinear Predictive Control Based on Time-Domain Simulation for Automatic Landing, AIAA Guidance Naviga-tion and Control Conference, 8. – 11. August 2011, Portland, Oregon, USA.