Flugversuchsträger mit Embedded-PC-Steuerung Friedliche Drohne

Mitarbeiter und Studierende der TU Berlin haben einen unbemannten Flugkörper entwickelt, der elektrisch angetrieben wird und 1 kg Nutzlast mitnehmen kann. Mit an Bord: Ein PC, der Daten über den Flugzustand sammelt und als Autopilot fungieren kann.

Sinkende Preise und steigende Leistungen eingebetteter Systeme und der Sensorik sowie die Unterstützung durch die Industrie erlauben es mittlerweile Studierenden, vielfältige Projektideen in die Tat umzusetzen - so beispielsweise das Projekt IFSys (Intelligentes Fliegendes System), innerhalb dessen die Aufgabe besteht, ein UAS (Unmanned Aerial System) zu entwickeln. Das Projekt bietet Studierenden verschiedenster Fachrichtungen die Möglichkeit, das in Vorlesungen gesammelte Wissen in der Praxis anzuwenden und zu vertiefen. Betreut werden sie am Fachgebiet für Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität (Prof. Robert Luckner) von den Mitarbeitern Georg Walde und Arndt Hoffmann. Die Studierenden arbeiten dabei entweder in ihrer Freizeit oder im Rahmen von Abschlussarbeiten im Projekt mit. Es stellen sich unterschiedliche Themen wie Flugmechanik, Flugregelung, Leichtbau, Technische Informatik und Elektrotechnik, aber auch Öffentlichkeitsarbeit und Marketing.

Ziel ist es, dass das UAV (Unmanned Aerial Vehicle), der fliegende Teil des UAS, automatisch starten, ein Gebiet von etwa 500 m mal 1000 m auf vordefinierten Kursen in einem Suchraster und in einer Höhe zwischen 70 m und 100 m mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s für 20 Minuten abfliegen und im Anschluss automatisch landen kann.

Der Flugversuchsträger ALEXIS

Ausgehend von der definierten Mission und den daraus folgenden Anforderungen an das Flugzeug, entwarfen die Studierenden den Versuchsträger ALEXIS (Airborne Laboratory for EXperiments on Inflight Systems, (Bild 1). Dabei handelt es sich um ein druckpropellergetriebenes Flugzeug mit zwei Leitwerksträgern und umgedrehtem V-Leitwerk. Die Spannweite beträgt 4 m, die Abflugmasse liegt ohne Nutzlast bei etwa 11 kg. Vorgesehen ist eine Nutzlast von einem kg (z.B. Kamera). Als Antrieb dient ein Elektromotor mit 1,5 kW Leistung. Die gewählte Konfiguration erlaubt eine weitestgehend getrennte Integration von Flugsteuerungssystem in der Rumpfnase, Fernsteuerungssystem und Aktuatorik im Flügel und Leitwerk sowie Antriebssystem im Rumpfheck. Durch die große Flügelfläche verfügt das Flugzeug über eine geringe Flächenbelastung, was, verbunden mit der starken Motorisierung, unkritische Flugeigenschaften und damit eine gute Beherrschbarkeit erwarten lässt.

Der Rumpf besteht aus glas- und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, Flügel und Leitwerke sind aus einem mit Abachiholz beplankten und glasfaserverstärkten Styroporkern aufgebaut.

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, wurde ein Sicherheitskonzept entwickelt, welches einem Piloten ermöglicht, jederzeit per Funkfernsteuerung die Kontrolle über das Flugzeug zu übernehmen. Dadurch können kritische Flugabschnitte wie Start und Landung von dem Piloten durchgeführt und der Flugregler vorerst in sicherer Höhe getestet werden. Verhält sich das Fluggerät anders als erwartet, kann der Pilot die Kontrolle übernehmen und das Flugzeug stabilisieren und sicher landen. Wenn das Flugsteuerungssystem soweit ausgereift ist, dass auch Starts und Landungen automatisch durchgeführt werden können, bleibt der Pilot als Beobachter und zusätzlicher Sicherheitsfaktor für unerwartete Ereignisse erhalten. Da das Flugzeug keine Möglichkeit hat, seine Umgebung wahrzunehmen und beispielsweise auf Hindernisse zu reagieren, ist ein solches Konzept für den Betrieb eines UAVs in Deutschland zwingend notwendig.

Hardwarekonzept

Betrachtet man allein die Größe und das Gewicht des Flugzeuges, entsteht leicht der Eindruck, dass es sich lediglich um ein Modellflugzeug mit ungewöhnlicher Konfiguration handelt. Der Unterschied liegt in der Ausstattung des Versuchsträgers: Für automatische Flüge verfügt das Flugzeug über einen Flugsteuerungsrechner (FCC - Flight Control Computer), umfangreiche Sensorik sowie Aktuatorik.

Die in Bild 2 dargestellte Hardware kann in drei Bereiche eingeteilt werden: Ein Flugsteuerungssystem (rot), das das Flugzeug im automatischen Flug steuert, ein Fernsteuerungssystem (grün), über das ein Pilot das Flugzeug steuern kann, und eine Bodenstation (blau) mit Funkstrecken zum Flugzeug, über die das System während des Fluges überwacht und beeinflusst werden kann. Desweiteren ist die Nutzlast (z.B. Kamera) mit einer Funkstrecke zur Bodenstation vorgesehen. Diese soll unabhängig vom Flugsteuerungssystem betrieben werden. Es besteht jedoch die Möglichkeit, Nutzlasten zu entwickeln, die über eine Schnittstelle mit dem FCC kommunizieren.

Die im Sicherheitskonzept beschriebene Umschaltung zwischen Flugsteuerungs- und Fernsteuerungssystem geschieht über den Switch, ein selbstentwickeltes Bauteil, an das der FCC und der Fernsteuerungsempfänger angeschlossen werden. Über einen Kippschalter am Fernsteuerungssender kann gewählt werden, ob die vom Pilot kommenden oder die vom FCC berechneten Steuerkommandos an die Servos und den Antrieb weitergeleitet werden.

Flugsteuerungssystem

Das Flugsteuerungssystem steuert das Flugzeug im automatischen Flug. Kernstück des Systems ist der FCC. Die Firma Advantech stellt dem Projekt dafür 3,5-Zoll-Single-Board-Computer vom Typ PCM-9375 und Erweiterungskarten vom Typ PCM-3643 für vier weitere serielle Schnittstellen zur Verfügung. Damit sind ausreichend Schnittstellen vorhanden, um auf einfache Weise alle im Flugzeug verbauten Sensoren und ein Funkmodem zur Kommunikation mit der Bodenstation anzuschließen. Als Betriebssystem wurde Windows XPe gewählt, welches speziell für eingebettete PC-Anwendungen entwickelt wurde und sich aufgrund der großen Vertrautheit mit Windows für den Einsatz in einem Studierendenprojekt besonders eignet.

An Bord befinden sich vier Sensoren, die für die Flugregelung relevante Daten an den FCC liefern: Ein GPS-Empfänger ermittelt die Position und Flughöhe, ein AHRS (Attitude Heading Reference System) die Lage, Drehraten und Beschleunigungen des Flugzeuges, ein selbstentwickeltes Luftdatensystem (LDS) mit Prandtl-Rohr und Vierlochsonde die Anströmgeschwindigkeit und -winkel. Zusätzlich misst ein Ultraschallhöhenmesser (US-Höhe) die genaue Höhe im bodennahen Bereich bis etwa 6 m. Dies ist insbesondere bei Start und Landung wichtig, wenn die Genauigkeit der vom GPS ermittelten Flughöhe nicht ausreichend ist. Bild 3 zeigt die räumliche Anordnung der Komponenten.

Aus den gemessenen Daten berechnen Flugregelungsalgorithmen auf dem FCC die zum Abfliegen der vorgegebenen Trajektorie passenden Kommandos für die Aktuatoren, die die Ruder bewegen, sowie für den elektrischen Antrieb. Der Flugregler wurde in Matlab/Simulink entwickelt und mit Real Time Workshop Embedded Coder in C-Code umgewandelt.