F. Holzapfel
F. Holzapfel
F. Holzapfel
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Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
FSD<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong><br />
Technische Universität München<br />
Ordinarius<br />
Prof. Dr.-Ing. Florian <strong>Holzapfel</strong><br />
Emeritus<br />
Lehrstuhl für Flugsystemdynamik<br />
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. h.c. Gottfried Sachs<br />
1
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Facts and Figures<br />
• Lehrstuhl für Flugsystemdynamik<br />
– Neubesetzung im Oktober 2007<br />
Technische Universität München<br />
– Ehemals Lehrstuhl für Flugmechanik und Flugregelung unter Leitung von Professor Sachs<br />
• Professoren<br />
– Prof. Dr.-Ing. Florian <strong>Holzapfel</strong> - Senior Member AIAA<br />
– Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. h.c. Gottfried Sachs – Fellow AIAA<br />
– Prof. Dr.-Ing. habil. Otto Wagner<br />
• Promovierte Forscher<br />
– Dr.-Ing. Matthias Heller<br />
– 2 Lehrbeauftragte<br />
• Wissenschaftliche Mitarbeiter<br />
– 24 wissenschaftliche Mitarbeiter/ Assistenten<br />
– 3 externe Doktoranden<br />
– Ausblick 2010/11: 30 Mitarbeiter<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Lehrstuhl für Flugsystemdynamik<br />
2
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Vorlesungen<br />
Flugsystemdynamik I & II<br />
Flugregelung I & II<br />
Flugführung<br />
Navigation und Datenfusion<br />
Flugdyn. Herausforderungen<br />
hochgradig reglergestützter<br />
Konfigurationen<br />
Lehre<br />
Technische Universität München<br />
Praktika<br />
Flugführung<br />
Flugversuchstechnik<br />
Grundlagen der Luftfahrtpraxis<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Lehrstuhl für Flugsystemdynamik<br />
3
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Infrastruktur<br />
Forschungsflugsimulator<br />
Praktikumsflugsimulator<br />
Zulassbarer Flugsimulator<br />
FTD Level 5<br />
Repräsentative Flugregelungs-<br />
Hardware<br />
Low-Cost Sensoren<br />
(GPS, Rohdatenlogger)<br />
Quadcopter vollständig instrumentiert,<br />
Sensoren, Rechner und Datenlink<br />
FSD X-treme Star – FSD Studentsnail<br />
Fly-By-Wire GA Iron Bird<br />
Motorsegler Grob G-109B<br />
EMA Aktuator und Testvorrichtung,<br />
AFDX Datenbus, Schnittstellen …<br />
In Beschaffung<br />
Zweimotoriger Erprobungsträger<br />
Flugzulassbare Avionik<br />
Low-Cost Sensorplattformen<br />
(für MAVs): GPS, Inertial-, Luftdaten,…<br />
Technische Universität München<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Lehrstuhl für Flugsystemdynamik<br />
4
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Technische Universität München<br />
Fliegender Erprobungsträger für den Freistaat Bayern<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Lehrstuhl für Flugsystemdynamik<br />
5
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Modellbildung & Simulation<br />
Parameterschätzung<br />
Trajektorienoptimierung<br />
Haupt-<br />
Forschungs-<br />
gebiete<br />
Technische Universität München<br />
Flugregelung &<br />
Flugführung<br />
Sensorik,<br />
Datenfusion & Navigation<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Lehrstuhl für Flugsystemdynamik<br />
6
C<br />
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Manöver zur<br />
Sensorkalibrierung<br />
*<br />
L CL0<br />
CL<br />
<br />
CLq<br />
q<br />
CL<br />
<br />
Flugtest<br />
Manöver zur<br />
Parameterschätzung<br />
Data Preprocessing<br />
• Datenanalyse<br />
• Flugbahnrekonstruktion<br />
Systemidentifikation<br />
• Identifizierung der<br />
Modellstruktur<br />
• Parameterschätzung<br />
Modellvalidierung<br />
Technische Universität München<br />
Simulation des Flugsystems, Analyse und Identifikation<br />
Systemanalyse<br />
Manöver zur<br />
Modellvalidierung<br />
Modell Bahnoptimierung<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Modellbildung, Simulation & Parameterschätzung<br />
7
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Nichtlineare<br />
Systemanalyse<br />
Trimmung<br />
Trimm - Strategien<br />
Turn Rate [°/s]<br />
Optimierung<br />
Flugleistungen<br />
500<br />
2<br />
2<br />
0<br />
25<br />
500<br />
1000<br />
5<br />
-75<br />
2<br />
-50<br />
5<br />
1500<br />
Bifurkations-<br />
Methoden<br />
Kontinuations-<br />
Methoden<br />
2000<br />
-125<br />
1000<br />
2500<br />
10<br />
Maneuverability Diagram<br />
-150<br />
-25-25<br />
50<br />
5<br />
0 100 200 300 400 500 600 700<br />
Velocity [m/s]<br />
5<br />
-200<br />
-100 -100<br />
-75<br />
25<br />
0<br />
-50<br />
10<br />
Systemanalyse<br />
-125<br />
1500<br />
-75<br />
3500<br />
-150<br />
4000<br />
-125<br />
-300<br />
15<br />
-250-250<br />
-200<br />
2000<br />
5000<br />
-150<br />
3000<br />
2500<br />
-300<br />
-300<br />
10<br />
15<br />
2000<br />
3500<br />
4000<br />
6000<br />
2500<br />
3000<br />
10<br />
Lineare<br />
Systemanalyse<br />
Flugeigenschaften<br />
Altitude [km]<br />
15<br />
12<br />
9<br />
6<br />
3<br />
2<br />
15<br />
5<br />
50<br />
60<br />
55 55<br />
0<br />
20<br />
50<br />
0<br />
10<br />
60<br />
40<br />
55<br />
80<br />
100<br />
50<br />
15<br />
Specific Excess Power Contours<br />
5<br />
10<br />
80<br />
60<br />
25<br />
15<br />
20<br />
Energy Heigth [km]<br />
Specific Excess Power [m/s]<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900<br />
Velocity [m/s]<br />
80<br />
100<br />
120<br />
140<br />
160<br />
180<br />
120<br />
140<br />
200<br />
220<br />
240<br />
260<br />
160<br />
280<br />
180<br />
100<br />
240<br />
55<br />
120<br />
200<br />
220<br />
140<br />
180<br />
160<br />
40<br />
140<br />
120<br />
25<br />
80<br />
100<br />
20<br />
60<br />
55<br />
60<br />
40<br />
50<br />
30<br />
20<br />
55<br />
40<br />
35<br />
20<br />
0<br />
0<br />
-20<br />
-20<br />
-140<br />
-80<br />
-100<br />
-60<br />
-180<br />
80<br />
50<br />
-40-40<br />
25<br />
-40<br />
30<br />
-60<br />
-80<br />
-100<br />
35<br />
-260<br />
-300<br />
-140<br />
-220<br />
-220-180<br />
40<br />
-260<br />
-300<br />
45<br />
35<br />
50<br />
40<br />
45<br />
-220<br />
Technische Universität München<br />
Modellbildung und Simulation, Anwendungen<br />
20<br />
15<br />
10<br />
Turn Radius [m]<br />
Load Factor [-]<br />
Specific Excess Power [m/s]<br />
Systembewertung am Gesamtsystem<br />
(Missions- / Trajektoriensimulation)<br />
Missions-Definition<br />
Piloten-Modell<br />
Logiken<br />
(Navigation, Wegpunkte)<br />
Missions-Ausführung<br />
Werteberechnung<br />
Abgleich Modell/Realität<br />
Parameteridentifikation<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Modellbildung, Simulation & Parameterschätzung<br />
8
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Forschungsgebiet Flugregelung<br />
Regelungsaufgaben – “Unsere Ziele”<br />
– Automatisches Abfliegen stark gekrümmter<br />
3-dimensionaler Trajektorien<br />
– Volle Ausnutzung der Steuerautorität<br />
(alle Steuerflächen, max. Ausschläge und Raten)<br />
– Dynamische Einhaltung der Flugbereichsgrenzen<br />
(ohne konservative Reserven)<br />
– Regelzielkonfliktauflösung: konkurrierende / sinnlose Kommandos<br />
– Hohe Robustheit – Modell-, Parameter- und Meßunsicherheiten<br />
Technische Universität München<br />
– Adaptive Regelung – Ausfall, Konfigurationswechsel: “Never-Give-Up- Strategie“<br />
(z.B. Beschädigungen, blockierte Steuerflächen; Sensorausfall)<br />
Resultierende Herausforderungen<br />
– Nichlinearitäten der Dynamik kommen zum Tragen<br />
– Zu regelnde Größen sind stark verkoppelt<br />
– Hohe Bandbreite gefordert<br />
• Stabilitätsprobleme (time scale separation)<br />
• Aktuatordynamik darf nicht vernachlässigt werden – wahre Ordnung des Systems<br />
• Einfluss von Modell- und Parameterunsicherheiten steigt<br />
• Volle Ausnutzung der Steuerautorität, Zulassen von Sättigungen<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Flugregelung & Flugführung<br />
9
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Forschungsgebiet Flugregelung<br />
UAV Flugregelung<br />
– Entwicklungen für echt fliegende System<br />
– Starr- und Drehflügler, Luftschiffe, Raketen<br />
– Partner aus der Industrie<br />
Nichtlineare adaptive Flugregelung<br />
– Anwendung moderner Reglungskonzepte auf fliegende Systeme<br />
Technische Universität München<br />
– Zertifizierbare adaptive Regelungskonzepte mit garantierter Stabilitäts- und Performance-<br />
Reserve<br />
– Auslegung von adaptiven Reglern auf Basis von Performance und Robustheitsmetriken<br />
– Schnelle Adaption zur Erhöhung der Überlebensfähigkeit und Reduktion der Abhängigkeit<br />
von Modelldaten<br />
Controller<br />
u c<br />
Adaption<br />
Θc<br />
k(y, r, Θ )<br />
u<br />
Reference Model<br />
<br />
xm m<br />
ym m m<br />
fm(x<br />
, r)<br />
h (x )<br />
Plant<br />
x f(x, r)<br />
y h(x)<br />
e<br />
y m<br />
y<br />
<br />
<br />
Adaptive Laws:<br />
-2<br />
0 5 10 15 20 25 30 35<br />
time [s]<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Flugregelung & Flugführung<br />
10<br />
q [deg/s]<br />
[deg]<br />
4<br />
2<br />
0<br />
20<br />
10<br />
0<br />
_adaptive<br />
_reference<br />
_command<br />
q_adaptive<br />
q_reference<br />
-10<br />
0 5 10 15 20 25 30 35<br />
time [s]
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Navigation & Datenfusion<br />
Forschung<br />
• High-Performance Algorithmen für Low-Cost-Navigationssensoren<br />
• Verfahren zur Indoor-Navigation basierend auf optischen Sensoren<br />
• Untersuchung moderner Navigationsverfahren:<br />
Silmultaneous Localization and Mapping (SLAM),<br />
Dual Airborne Laser Scanner (DALS)<br />
• Einsatz von dynamischen Modellen und Methoden der<br />
Systemidentifikation in Integrierten Navigationssystemen<br />
• Simulations-Toolbox für Integrierte Navigationssysteme<br />
(Trägheitsnavigationssysteme, GNSS Simulation, Datenfusionsfilter,<br />
Sensorfehlerpropagationsanalyse, …)<br />
• UAV-Demonstrator<br />
Off-The-Shelf Komponenten: x86-Architektur, MEMS<br />
Analyse von Realdateneffekten (z.B. Timing, GPS-Ausfall)<br />
• Modellraketen-Demonstrator<br />
Untersuchung von Navigationssystemen für hochdynamische<br />
Fluggeräte<br />
Technische Universität München<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Sensorik, Datenfusion & Navigation 11
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Technische Universität München<br />
Perspektiven in der Navigation und Datenfusion<br />
Herkömmliche Sensoren<br />
Flugzeugdynamik<br />
V<br />
<br />
D<br />
m<br />
IMU<br />
Kreisel<br />
Beschleunigungsmesser<br />
GPS<br />
Magnetometer<br />
Baro- Altimeter<br />
<br />
X cos<br />
cos<br />
Y sin Z sin<br />
cos<br />
<br />
P<br />
B<br />
P<br />
B<br />
m<br />
P<br />
B<br />
Sensordatenfusio<br />
n<br />
g sin <br />
Robustere Navigation Parameterschätzung<br />
xˆ<br />
vˆ<br />
ˆ<br />
ˆ<br />
ˆ<br />
Neue Sensoren<br />
Optisches Tracking<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Sensorik, Datenfusion & Navigation<br />
12
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Präzise Flugbahnvermessung mit GPS<br />
Ziel<br />
Präzise relative Flugbahnvermessung<br />
kleiner Fluggeräte<br />
Stand-alone GPS, keine Initialisierung<br />
Hardware<br />
Miniaturisierte Einfrequenz Empfänger<br />
(MEMS Beschleunigungssensoren)<br />
Algorithmik<br />
Haus-interne Entwicklung einer zeitdifferentiellen<br />
Software<br />
Zeit-differentielle<br />
Navigation<br />
Anwendung<br />
Technische Universität München<br />
Vermessung des Fluges von Albatrossen<br />
Erforschung des dynamischen<br />
Segelfluges<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Sensorik, Datenfusion & Navigation<br />
13
Power [kW]<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Periodische Optimalsteuerung<br />
Identische Zustände, Zustandsableitungen und<br />
Steuerparameter am Anfang und Ende der Flugbahn<br />
• Sägezahnflug eines Motorseglers<br />
mit Klapptriebwerk<br />
• Tag- / Nachtzyklen eines<br />
solarbetriebenen Flugzeugs<br />
Solar Power [kW]<br />
Engine Power [kW]<br />
0<br />
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br />
Fraction of Solar Day - starting at 7:45am<br />
Solarflugzeug<br />
Technische Universität München<br />
0<br />
10<br />
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br />
Fraction of Solar Day - starting at 7:45am<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Trajektorienoptimierung<br />
14<br />
Altitude Altitude h h [km] [km]<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
Motorsegler<br />
20<br />
Kinematic Kinematic Kinematic Velocity Velocity Velocity V V V [m/s] [m/s] [m/s]<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Flugbahnoptimierung für die Red Bull Air Races<br />
• Berechnung der zeitminimalen Flugbahnen<br />
für fest vorgegebene Torpositionen<br />
(Produktion der Track Introductions für TV & Internet)<br />
• Optimierung des Race Track Layouts<br />
(variable Torpositionen), so dass<br />
• Sicherheitskriterien<br />
• und / oder Fairness (Chancengleichheit)<br />
maximiert werden<br />
• Betrachtete Sicherheitskriterien:<br />
• Distance / Time to Crowd<br />
• Ballistic Extrapolation<br />
• Load Factor Fatigue Indices, …<br />
Technische Universität München<br />
-800<br />
-200 0 200 400 600 800 1000 1200<br />
Distance to Crowd<br />
Position y [m]<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Trajektorienoptimierung<br />
15<br />
Position x [m]<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
-100<br />
-200<br />
-300<br />
-400<br />
-500<br />
-600<br />
-700<br />
Track 2D<br />
Initial Track<br />
Optimized Track
Lehrstuhl für<br />
Flugsystemdynamik<br />
Optimierung von Anflugbahnen<br />
• Berechnung zeit- oder spritminimaler Anflüge<br />
Technische Universität München<br />
• Berücksichtigung von Konfigurationsänderungen (Klappenstellung, Fahrwerk, …)<br />
(Kombination aus diskreten und kontinuierlichen Steuerungen)<br />
• vorgegebener Rahmen: Standard Arrival Routes<br />
• Optimierung von<br />
• Zeitpunkten der Konfigurationsänderungen,<br />
• Geschwindigkeitsverlauf,<br />
• Höhenprofil, …<br />
Altitude [m]<br />
4500<br />
4000<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
Altitude Profile<br />
Reference<br />
Minimum Time<br />
Minimum Fuel<br />
0<br />
0 200 400 600<br />
Time [s]<br />
800 1000 1200<br />
0<br />
0 200 400 600<br />
Time [s]<br />
800 1000 1200<br />
Florian <strong>Holzapfel</strong> Trajektorienoptimierung<br />
16<br />
Fuel Mass Burned [kg]<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
Reference<br />
Minimum Time<br />
Minimum Fuel<br />
Fuel Mass Burned
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