Flugbahnplanung für Kippflügelflugzeuge zur Unterstützung im Rettungseinsatz

Barz, Isabelle; Behr, Marek; Moormann, Dieter

doi:HT021875081

Flugbahnplanung für Kippflügelflugzeuge zur Unterstützung im Rettungseinsatz = Flight path planning for tilt-wing aircraft to support rescue operations

Barz, Isabelle^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Isabelle Barz

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Moormann, Dieter (Thesis advisor)^RWTH* ; Behr, Marek (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-02-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-03181
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/954410/files/954410.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik (415410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bahnplanung (frei) ; Kippflügelflugzeug (frei) ; Rettungseinsatz (frei) ; UAV (frei) ; VTOL (frei) ; path planning (frei) ; rescue operation (frei) ; tilt-wing aircraft (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Bei Rettungseinsätzen mit Verletzten zählt jede Sekunde, weswegen in diesem Zusammenhang zunehmend unbemannte Flugsysteme, kurz UAS (Unmanned Aerial Systems), derzeit insbesondere Multikopter, eingesetzt werden. Eine Möglichkeit, die Einsätze noch schneller und effizienter zu unterstützen, bieten UAS in Kippflügelkonfiguration. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl einen effizienten und schnellen Vorwärtsflug für das Überbrücken von größeren Entfernungen als auch einen Schwebeflug durchführen können und somit fast überall vertikales Starten und Landen ermöglichen. Um Rettungskräfte während eines Einsatzes zu entlasten, ist eine Automatisierung dieser Flugsysteme notwendig. Die Automatisierung muss dabei so weit entwickelt sein, dass das Flugsystem eigenständig die von einer Rettungskraft geforderten Flugaufgaben durchführt und die dafür notwendigen Flugbahnen plant. In dieser Arbeit wird eine neuartige Methode zur automatisierten Flugbahnplanung für Kippflügelflugzeuge im Rettungseinsatz entworfen und evaluiert. Um ad hoc auf Eingaben einer Rettungskraft einzugehen, werden die Flugbahnen unmittelbar im Flug innerhalb kurzer Zeit geplant. Die Flugbahnen ermöglichen die Erfüllung der vorgegebenen Flugaufgaben und berücksichtigen flugmechanische Beschränkungen des Flugsystems, wie beispielsweise dessen minimalen Kurvenradius. Des Weiteren werden äußere Umgebungseinflüsse, z.B. der vorherrschende Wind, und die Besonderheiten von Kippflügelflugzeugen berücksichtigt. Es wird gewährleistet, dass die Flugbahnen innerhalb eines vorgegebenen Fluggebiets liegen und statische Hindernisse umgehen. Die vorgestellte Methode zur Flugbahnplanung beinhaltet einen im Rahmen dieser Arbeit entwickelten und optimierten Bahnplanungsalgorithmus. Dieser wurde in Monte-Carlo-Simulationen für herausfordernde Umgebungsbedingungen erfolgreich hinsichtlich Funktionalität, Laufzeit und Bahnlänge validiert. Die komplette Flugbahnplanungsmethode wird anschließend im Rahmen einer Rettungsübung angewendet. In dieser wird gezeigt, dass auf Änderungen von Rettungskräften eingegangen wird, indem während des Fluges neue Flugbahnen geplant und abgeflogen werden. Somit können die von Rettungskräften geforderten Flugaufgaben erfolgreich erfüllt werden.

As every second counts during rescue operations with injured persons, UAS (Unmanned Aerial Systems), especially multicopters at present, are increasingly being used in this context. UAS in tilt-wing configuration offer the possibility to support the operations even faster and more efficiently. Tilt-wing aircraft are characterized by their ability to perform efficient and fast forward flight for bridging longer distances as well as hover flight, allowing vertical takeoff and landing almost everywhere. Automation of the flight systems is necessary to reduce the workload of rescue forces during a mission. The automation must be developed to a level where the flight system can autonomously perform the flight tasks issued by a rescue force, including the planning of necessary flight paths. In this thesis, a novel method for automated flight path planning for tilt-wing aircraft in rescue operations is designed and evaluated. For the purpose of reacting ad hoc to inputs from a rescue force, flight paths are planned immediately in flight within a short time. The flight paths allow the specified flight tasks to be accomplished while considering flight mechanical constraints of the flight system, such as its minimum turn radius. Furthermore, external environmental influences, such as the prevailing wind, and the special characteristics of tilt-wing aircraft are taken into account. It is guaranteed that the flight paths lie within a given flight area and avoid static obstacles. The presented path planning method includes a path planning algorithm developed and optimized within the scope of this thesis. It was successfully validated for functionality, runtime, and path length in Monte Carlo simulations within challenging environmental conditions. In addition, the complete flight path planning method is applied in the context of a rescue exercise. In this exercise, it is shown that changes made by rescue forces are taken into account by planning and executing new flight paths during the flight. Thus, the flight tasks required by rescue forces can be performed successfully.

OpenAccess:
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