Motivation
Während die automatisierte Landung von Großraumflugzeugen schon seit einiger Zeit zum Standard in der kommerziellen Luftfahrt gehört, richtet sich in den letzten Jahren der Entwicklungsfokus auf die kleinere Klasse der leichten Motorflugzeuge.
Die Gefahr von ungünstigen menschlichen Steuerungseingaben durch unerfahrene oder ungeübte Piloten ist höher als bei Berufspiloten. Um dieses Risiko zu verringern, bringen unterstützende Regelungssysteme und die zunehmende Automatisierung dieser Flugzeuge daher erhebliche Sicherheitsvorteile. Die Relevanz dieser Thematik zeigt sich in einem automatischen Notfall-Landesystem von Garmin, das seit 2020 in ausgewählten Flugzeugmodellen zugelassen ist.
Ziel ist daher die Entwicklung von Algorithmen zur zuverlässigen Durchführung automatischer Landungen mit leichten Motorflugzeugen. Die Demonstration der Algorithmen mit unterschiedlichen Fluggeräten der CS-23 Klasse validiert die regelungstechnischen Ansätze und Ideen.
Forschungsaktivitäten
Die Automatisierung von Landeanflügen leichter Fluggeräte erfordert fortgeschrittene Regelsysteme unter Berücksichtigung vielfältiger, besonderer Herausforderungen: So sind diese Motorflugzeuge anfällig für Umwelteinflüsse wie z.B. Bodeneffekt oder Wind. Dadurch erhöht sich der Regelungsaufwand für die exakte Folge der gewünschten Zustände. Diese Herausforderung wird verstärkt durch das oftmals nicht exakt untersuchte dynamische Verhalten dieser Maschinen sowie unterschiedliche Flugzeugkonfigurationen in dieser Klasse, die sich beispielsweise in der Fahrwerksanordnung unterscheiden.
Insbesondere während der kritischsten Phase eines Flugs, der Landung, kann man sich abseits großer Verkehrsflughäfen außerdem nicht auf unterstützende Systeme der Bodeninfrastruktur, wie z.B. ein Instrumentenlandesystem verlassen. Die fehlenden Informationen über die Höhe über Grund erhöhen die Anforderungen an die Navigation, um Landeanflüge trotzdem möglichst genau und sicher zu fliegen. Zusätzlich bestehen an kleineren Verkehrsflugplätzen häufig komplexe Anflugszenarien, die eine flexible Bahnplanung im Endanflug erfordern.
Diese Rahmenbedingungen erfordern komplexe und flexible funktionale Regelungssysteme. Diese werden am iFR mit dem Ziel kompletter Automatisierung der Landung leichter Motorflugzeuge entwickelt.
Methoden
Dem Entwurf automatischer Landungen kommt eine besondere Bedeutung zu aufgrund der Tatsache, dass die Zahl der Regelgrößen die Zahl der verfügbaren Aktuatoren übersteigt. Dieses sogenannte unteraktuierte System verhindert die genaue Einregelung aller Sollgrößen. Im Detail sind die Größen Anströmgeschwindigkeit, Nickwinkel und Bahnneigungswinkel so einzustellen, dass eine erfolgreiche Landung durchgeführt werden kann, welche die strukturellen Lastbegrenzungen und Flugzeuglage bei der Landung berücksichtigt. Dabei stehen nur die Stellgrößen Höhenruder und Schubkommando zur Verfügung. Eine Herangehensweise zur Lösung dieser Problematik besteht in der Einhaltung gewisser Grenzen für die genannten drei Größen, ohne dass eine genaue Sollwertfolge notwendig ist.
Ein Ansatz, mit welchem das Regelungssystem sehr robust gegenüber Störungen aufgebaut wird und möglichst wenig Modellwissen voraussetzt, ist die inkrementelle, nichtlineare Regelung. Mit Hilfe dieses Regelungsansatzes, welcher am Institut erforscht wird, kann ein passender, allgemeingültiger Regler ausgelegt werden, der bei der Landung diverse Vorteile im Vergleich zu konventionellen Reglern bietet.
Publikationen
[1] F. Pinchetti, J. Stephan, A. Joos and W. Fichter, "FlySmart - Automatic Take-Off and Landing of an EASA CS-23 Aircraft," in Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2016, 2016.
[2]F. Pinchetti, A. Joos and W. Fichter, "Efficient Continuous Curvature Path Generation with Pseudo-Parameterized Algebraic Splines," CEAS Aeronautical Journal, vol. 9, no. 3, pp. 557-570, May 2018.
[3]R. Küke, P. Müller, S. Polenz, R. Reichel, F. Pinchetti, J. Stephan, A. Joos and W. Fichter, "Fly-By-Wire for CS23 Aircraft - Core Technology for General Aviation and RPAS," in Aviation in Europe Innovation for Growth Proceedings from the Seventh European Aeronautics Days—20th-22nd October 2015, London, UK, 2016.
[4] O. Pfeifle and W. Fichter, "Cascaded Incremental Nonlinear Dynamic Inversion for 2D Spline-Tracking with Wind Compensation," (accepted for publication).
Federico Pinchetti
Dipl.-Ing.