Systemkonzept und Flugerprobung eines VTOL UAV Demonstrators · Management der Datenlinks Anzeige der Sensorsignale, Quick-Look u. Datenaufzeichnung UAV System und Sensor Einstellungen

Systemkonzept und Flugerprobung eines VTOL UAV DemonstratorsDLR-Institut für Flugsystemtechnik (Thielecke) Folie 1

Systemkonzept und Flugerprobung Systemkonzept und Flugerprobung eines VTOL UAV eines VTOL UAV DemonstratorsDemonstrators

Vortrag von Vortrag von

F. Thielecke, J. Dittrich, A. F. Thielecke, J. Dittrich, A. BernatzBernatz

DLR DLR -- Institut für FlugsystemtechnikInstitut für Flugsystemtechnik

BraunschweigBraunschweig


InhaltInhalt

Motivation und Ziele

Basishubschrauber

Systemkonzept und Avionik

Modellierung & Flugregler

Bodenstation und Missionsmanagement

On-board Kamera-System und bildgestützter Schwebeflug

Zusammenfassung


ARTIS Projekt ARTIS Projekt -- Motivation und ZieleMotivation und Ziele

Autonomous Rotorcraft Testbed for Intelligent Systems

Entwicklung einer low-cost VTOL UAV Testplattform für die Untersuchung von autonomen intelligenten Funktionen

Flugerprobung von Schlüsseltechnologien und Multi-Agenten-Systeme in einem realen Umfeld

Untersuchungen zur Mensch-Maschine-Schnittstelle und zum erforderlichen Autonomie-Level als Funktion der Mission

-> Umfangreiche Flugerprobung in Kombination mit Simulation


ARTIS ARTIS -- ForschungsagendaForschungsagenda

2003-2004Autonome Funktionen für den FHS EC 135

Systeme mit hoher Zuverlässigkeit

Anforderungen für die Zulassung und Flug im kontrollierten Luftraum

Entscheidungssysteme, on-board Wegplanung

UAV Kooperation

Teaming von UAV mit bemannten Systemen

Bio-inspirierte Vision, Kollisionsvermeidung

Basissystem mit integrierter Avionik

Software Architektur

Wegpunkt-Navigation

Flugregler-System

On-board Kamera und Bildverarbeitung

2004-2006 2006-2007


BasisBasis--SystemSystem

Kommerzieller R/C Hubschrauber:- VTOL UAV Demonstrator auf der Basis eines

ferngesteuerten Modellhubschraubers Benda Genesis

- Extreme Manövrierbarkeit / Leistungsüberschuss- Niedrige Anschaffungs- u. Betriebskosten

System Spezifikationen:- Motor 15cm³, 2 PS- Max. Geschwindigkeit 120 km/h- Hauptrotordurchmesser 1.90 m- Leergewicht 5.2 kg- Nutzlast 6.0 kg


Allgemeines SystemkonzeptAllgemeines Systemkonzept

GuidanceNavigation

Control-System

R/CEmpfänger

Datenlink 1

Fern-steuerung

Datenlink 1 ZentralerBodenstations-

Computer

GPS Referenz

On-board Avionik

Mobile Bodenstation

Sicherheitspilot

Switch Interface

Datenlink 2 Datenlink 2

GPS

Aktuatoren

Autonom

ieR/C

RS-232 Seriell

Standard Betrieb mit zwei Personen (Sicherheitspilot u. Bodenstation)Zwei redundante Datenlinks (Funkmodem seriell, WLAN Ethernet)R/C Elektronik und Avioniksystem mit getrennter Stromversorgung Switch zur Umschaltung von Sicherheitspilot und autonomer Modus


Design der Avionik KomponentenDesign der Avionik Komponenten

Flexibilität durch einfache Rekonfiguration

Modulare Upgrade-Fähigkeit

Einfache Wartungim Forschungsumfeld


ARTIS ARTIS -- Basis KonfigurationBasis Konfiguration

Stromversorgung

Flight Control Computer Telemetrie Modul

GPS Antenne

Magnetometer

GPS & IMU

Telemetrie AntenneDigital-Kamera


ARTIS ARTIS -- Kamera KonfigurationKamera Konfiguration


ModellfolgeModellfolge--Regelung MFCSRegelung MFCS

ModellInvertierung

Versuchs-daten-

Analyse

System-Identifizierung

Modell derSystem-dynamik

ModellValidierung

HubschrauberAntwort

Easy-HandlingGesetze

Pilot Kommando-Modell

tatsächlicheARTIS

Dynamik

geforderteAntwort

Modell derSystem-dynamik

-1

Feed-forward

ControllerInput

Antwort-Fehler

PI-Regler

-+

Feed-back

Ziel: Entwicklung eines Easy-Handling Control Systems


Flugmechanische SimulationFlugmechanische Simulation

Simulink Modell:- Entwickelt auf der Grundlage

des CMU Yamaha R-50 Modells- Lineare Modellstruktur- Parametrisierung für Schwebe-

und schnellen Vorwärtsflug- Explizite Berücksichtigung des

Hiller Stabilisators - Plausibilitätscheck durch

Sicherheitspiloten

Systemidentifizierung und Validierung des ARTIS Modells - geplant für Ende 2004


Mobile Bodenstation: MAESTROMobile Bodenstation: MAESTRO

Optionale Auswerte-Computer


DatenLink 1 Zentraler

Bodenstations-Computer

GPS Referenz

Transport-Box

DatenLink 2


Zentraler Bodenstations-Computer mit zwei Datenlinks(Funkmodem und Wireless Ethernet)Maximale Reichweite der Daten Links in der Praxis ca. 5 KmReferenzstation für Differential GPSDarstellung und Aufzeichnung von on-board Bildern und Videos Anschlüsse für Notebooks als zusätzliche Operator-Terminals: Datenanalyse und Visualisierung für die Nutzlast-Systeme


MAESTRO MAESTRO -- BasismodulBasismodul

Kommunikation ARTIS <-> GCS,Management der Datenlinks

Anzeige der Sensorsignale, Quick-Look u. Datenaufzeichnung

UAV System und Sensor Einstellungen u. Rekonfiguration

System Überwachung, Sensor-Fehlererkennung und Diagnose

Konfiguration und grafisches Interface für Easy Handling Mode

3-D Visualisierungsmodul auf der Basis von MS Flugsimulator

Moving Map mit Positionsanzeige


MAESTRO MAESTRO -- MissionsmanagementMissionsmanagement

Grafisches Interface zum Missionsmanagement

Planung und Anpassung von Flugrouten

Trajektorien werden über Basismodul an ARTIS geschickt.

2D/3D Visualisierung von Einsatzgebietes u. Mission

Darstellung der aktuellen Flugposition und des Missionsstatus

Online Überwachung während des Fluges

Entwicklung des DLR-Instituts für Flugführung (Dr. Hecker, J. Strohmeyer)


Bildgestützte SchwebeflugBildgestützte Schwebeflug--StabilisierungStabilisierung

Optisches Tracking

Aufgabe:

- Relatives Hovern über einem Objekt und dessen Verfolgung

- Nutzung von Bildinformationenzur Schwebeflugstabilisierung

- Navigation ohne GPS-System,z.B. in-door Positioning System

Beispielanwendungen:

- Schiffslandungen, Lastabsetzen

- Verfolgung von Fahrzeugen

- Rettung von Schiffbrüchigen

- Reduktion der Arbeitsbelastungbei Search & Rescue Missionen


Konzept für onKonzept für on--board Kameraboard Kamera--SystemeSysteme

PC 104 PIII 700 MHz

IEEE 1394 InterfaceImaging Source

DMK 21F04

Hub

Digitale Bilddaten

FCC

W-LAN

AXIS 2110 IP-Kamera

Bodenstation


HardwareHardware--AuswahlAuswahl

Rechner- PC 104, PIII 700 MHz,

256 MB RAM- SuSe Linux

Kamera- Auflösung: 640 x 480- 8-bit monochrom- bis zu 30 Bilder pro Sekunde- 4 mm Brennweite entspricht

einem Sichtfeld von 48o x 37o

- Digitale Bildübertragung(IEEE 1394)


TrackingTracking eines bekannten Musterseines bekannten Musters

s/w-Bild, nach Schwellwertbildung

Kamerabild mit erkanntem Muster

alle Konturen

5. Erkennung des Zielobjektes (3 Vierecke in einem größeren Viereck)

6. Ordnen der Ecken der inneren Vierecke7. Berechnen der relativen Position

(kleinste Fehlerquadrate)

1. Bild Akquisition2. Schwellwertbildung3. Konturerkennung (8er Nachbarschaft)4. Annäherung durch Polygone


TrackingTracking beliebiger Landschaftsmerkmalebeliebiger Landschaftsmerkmale

Punkte mit hohem Kontrast werden gesucht.Die gewählten Punkte müssen einen Mindestabstand haben.Punkte werden mit Hilfe eines Lucas-Kanade Trackers verfolgt.Eigenbewegung der Kamera (= Hubschrauber) wird bestimmt.Bildgestützte Navigationslösung bei GPS-Ausfall

bekannteKamera

Parameter

bekannte Rotationen

(IMU)

bekannte Höheaus Höhenmesser oder Stereodaten


Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick

A utonomousR otorcraftT estbed forI ntelligentS ystems

Flexibles System- und Avionik-Konzept

Mobile Bodenstation mitMissionsmanagement

On-board Kamera-System

Bildgestützter Schwebeflug mit Muster-Tracking

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