Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der echtzeitfähigen Bewegungsplanung unbemannter, senkrecht startender Luftfahrzeuge. Diese Autonomiefunktion behandelt das Problem der Suche und Optimierung einer Bewegungstrajektorie des Luftfahrzeuges unter Berücksichtigung von Randbedingungen wie z.B. das Vermeiden von Hindernissen, Einhalten von maximalen Fluggeschwindigkeiten oder auch die Beschränkung der Lage des Luftfahrzeugs.
Um sich diesem Problem zu nähern, wird zunächst ein Ansatz zur prädiktiven Bahnplanung auf Basis der nichtlinearen modellprädiktiven Regelung mit Beschränkungen in Zuständen und Steuergrößen vorgestellt, der besonders für die echtzeitfähige Implementierung auf kleiner und kompakter Rechnerhardware geeignet ist und eine Hindernisvermeidung unter Nutzung einer dreidimensionalen Punktwolke beinhaltet. Zur Demonstration der Echtzeitfähigkeit werden in dieser Arbeit zwei unterschiedliche Bordrechnerarchitekturen betrachtet: Der erste Ansatz verfolgt die Implementierung auf einem kleinen eingebetteten System, das einen FPGA zur Beschleunigung der für die Hindernisvermeidung benötigten Abstandsberechnungen einsetzt. Flugversuche sowie Hardware-in-the-loop Simulationen belegen die Machbarkeit.
Der zweite, verbesserte Ansatz benutzt zur echtzeitfähigen Umsetzung eine Grafikkarte auf einem Tabletcomputer zur Beschleunigung der Modellprädiktion und der aufwendigen Abstandsberechnungen zu den Hindernissen. Statistische Betrachtungen von Laufzeitmessungen zeigen die echtzeitfähige Umsetzbarkeit dieses Ansatzes.
Die Arbeit liefert damit Beiträge im Bereich Bahnplanung für unbemannte, automatisch fliegende Fluggeräte, die geeignet sind, einen sicheren Betrieb im Sinne der Einhaltung von Beschränkungen beteiligter Zustände und Steuergrößen zu garantieren.
Aktualisiert: 2021-11-03
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Die Modernisierung der Signalstruktur bestehender und die Etablierung neuer Satellitennavigationssysteme verursacht einen deutlichen Anstieg der verfügbaren Ortungssignale in den kommenden Jahren. Für Empfänger resultiert daraus insbesondere im Vergleich zu konventionellen GPS-Empfängern ein enormer Mehrbedarf an Rechenleistung, der speziell für Software-Empfänger eine Herausforderung darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst die Entwicklung der einzelnen Satellitennavigationssysteme und ihrer Signalstruktur beschrieben und der sich daraus ergebende Rechenaufwand hergeleitet. Im Anschluss wird auf Grundlage eines konventionellen Empfangsverfahrens ein Modul entwickelt, das den Empfang aller relevanten Signale ermöglicht. Die Softwareentwicklung basiert auf dem Konzept der heterogenen Programmierung, deren Zielarchitektur ein System mit x86-Mikroprozessor und Nvidia-Grafikprozessor darstellt. Ausgehend von simulierten Ortungssignalen in einer Multi-Frequenz-Konfiguration wird das Empfangsmodul innerhalb einer zu diesem Zweck entwickelten Umgebung hinsichtlich der erreichbaren Rechenleistung optimiert und eine signifikante Leistungssteigerung erzielt. Anhand der theoretischen Rechenleistung der eingesetzten Hardware und vergleichbaren Angaben aus der Literatur wird abschließend die erreichte Rechenleistung der Implementierung bewertet und eingeordnet.
Aktualisiert: 2020-02-24
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