Was ist Flugregelung?

Autopiloten in der bemannten Luftfahrt

Flugregelung beinhaltet die Auslegung von Assistenzsystemen für Piloten, welche ein wesentlicher Bestandteil moderner Luftfahrzeuge sind. Ihr Anwendungsbereich erstreckt sich von einfach Aufgaben wie dem Sicherstellen von einem angenehmen Flugverhalten, über dem halten einer Flughöhe, bis hin zu komplizierten Abläufen wie einer automatisierten Landung.

Raketenstarts und -Landungen

Flugregelug beinhaltet die Steuerung von Raketen bei Start und in moderner Zeit auch auch bei Landung Landung. Hohe Präzision beim Start ist notwendig für eine sichere Handhabung und damit die Nutzlast ihr Zielorbit erreicht. Es ist auch dafür Verantwortlich das Booster punktgenau wieder landen. Dies ist eine besondere Herausforderung, da Raketen von Natur aus instabile dynamische Systeme sind.

Autonomes Fliegen

Die Flugregelung beinhaltet die Steuerung von unbemannten Flugfahrzeugen, z.B. Modelflieger oder Quadkopter. Komplexe Aufgaben wie den optimiertem Abflug von Wegpunkten, Ausweichen von Hindernissen und selbstständige Start und Landung sind dabei essentiell für die sichere Anwendung.

Lageregelung von Satelliten

Flugregelung beinhaltet die exakte Orientierung von Satelliten im Orbit. Dies ist ein fundamentaler Bestandteil jeder Raumfahrtmission, z.B. für die Ausrichtung von Messgeräten, Herstellung von Kommunikationsverbindungen oder Ausführung von Orbitkorrekturmanövern. Die Schwierigkeit liegt in den einzigartigen Umweltbedingungen im All.

Faszination Flugregelung

Gezielte Manipulation technischer Systeme zum gewünschten Verhalten
Detaillierte Einblicke in Aufbau und Funktionsweise des Gesamtsystems
Vielseitige Tätigkeiten von Software-Entwicklung bis Hardware-Integration
Angewandte Mathematik mit direkten Ergebnissen

Flugregelung an einem Beispiel

Für die Auslegung eines Flugreglers hat man Kontakt mit vielen interessanten Fachdisziplinen, die einen gutes Verständnis über das Gesamtsystem vermitteln. Die verschiedenen Arbeitsschritte werden an einer erfolgreich abgeschlossenen Forschungstätigkeit beispielhaft illustriert.

1. Mission

Im UAV-Labor der Professur wurde der Urban Condor gebaut, einem Flieger mit knapp 2m Spannweite, einer Höchstgeschwindigkeit von 130km/h und eine Nutzlast bis zu 2kg. Das Ziel ist nun die Auslegung eines Autolanders, welcher ermöglicht, den Flieger ohne jeglichen Piloteninput völlig automatisiert landen zu lassen.

2. Modellierung

Der moderne Auslegungsprozess läuft vollständig Digital ab. Ein Modell des Gesamtproblems wird in Matlab/Simulink erstellt, dem industriellen Standard für Regelungstechnik in der Luft- und Raumfahrt. Realitätsnah wird die Aerodynamik der Flügel und Steuerklappen, Umgebungseinflüsse wie Wind und die Dynamik des Fliegers durch zuvor hergeleiteten Bewegungsgleichungen des Fliegers implementiert. Exakte Zahlenwerte, z.B. aerodynamische Koeffizienten, werden mittels Systemidentifizierung bestimmt, entweder mittels Experimenten im Windkanal der Professur oder durch Flugversuche.

3. Reglerauslegung

Robuste Regelung — Block Diagramm Regelkreis

Die Auslegung eines Reglers ist die Herleitung eines mathematischen Gesetzes, was basierend auf dem Unterschied zwischen tatsächlichen Zustand (Istwert) und geplanter Landungstrajektorie (Sollwert) die Auslenkung der Steuerklappen (Regelsignale) berechnet, um den Flieger auf gewünschte Weise zu manipulieren. Bei der Auslegung wird die konkrete Dynamik des UrbanCondors berücksichtigt, um verschiedenste funktionale Anforderungen zu garantieren, beispielsweise Stabilität des geregelten Systems.

4. Robustheit

Ein Schwerpunkt der Professur ist die Robuste Regelung, wobei spezielle theoretische Ansätze und mathematische Methoden für die Reglerauslegung angewandt werden. Robustheit bedeutet, dass der Regler auch dann noch seine Aufgabe erfüllt, und nicht den Flieger in Gefahr bringt, wenn Störungen (z.B. Wind) auftreten oder das erstellte Modell vom tatsächlichen Flieger abweicht. Die Robustheit des Reglers wird durch nichtlinear Simulationskampagnen oder Probabilistische Methoden untersucht.

5. Flugtests

Am Ende möchte man den fertigen Regler natürlich in Aktion erleben. Das Regelgesetz wurde auf die Hardware des UrbanCondor aufgespielt und danach wurden von Mitarbeitern der Professur Flugtests durchgeführt. Die erfolgreiche Landung ist im Video zu sehen. Zur Erinnerung, der Flieger agiert komplett autonom ohne jeglichen Eingriff vom Piloten.

Datenschutzrichtlinie