Die Erfindung betrifft ein Kollisions- und Konfliktvermeidungssystem für autonome unbemannte Flugzeuge (UAV).

Der Betrieb von unbemannten Flugzeugen (UAV) erfordert, dass diese sich nahtlos in den zivilen und militärischen Luftverkehr einordnen können. Insbesondere, wenn kein Kontakt zur Bodenstation besteht, muss das UAV in der Lage sein, selbständig unter Beachtung der Luftverkehrsregeln potentiellen Kollisionen auszuweichen ohne dabei die eigenen Leistungsgrenzen zu verletzen oder in beschränkte Lufträume einzufliegen.

Hierzu ist das TCAS System gebräuchlich. Es bestimmt durch seine Sensorkomponente die Relativposition anderer Flugzeug, ermittelt danach das Kollisionsrisiko und ermittelt dann reaktive Ausweichkommandos, die es dem menschlichen Piloten vorschlägt um kurzfristige Kollisionen zu vermeiden.

Beim "Free flight conflict detection and resolution analysis" – Verfahren (Kroyel, Mueller, Hunter) wird ein zweistufiges System (taktisch, strategisch) zur Konfliktvermeidung im Luftverkehr vorgeschlagen.

Im Artikel "A Hybrid A* Automaton approach to online path planning with obstacle avoidance" von N.D. Richards, M. Sharma, D.G. Ward, in AIAA 2004-6229, pp. 1–17, 2004 wird eine A* Pfadsuche basierend auf Bewegungssegmenten vorgeschlagen.

Demgegenüber wird nach der Erfindung folgendes vorgeschlagen:

Das System verwendet verfüngbare Onboard Sensoren, um sich ein Bild des umgebenden Luftraumes zu machen. Die so erstellte Lage wird auf drohende Konflikte (Kollisionen, TCAS Verletzungen, Luftraumverletzungen) hin untersucht. Wird ein Problem festgestellt, so wird eine Suche nach Ausweichmöglichkeiten gestartet, wobei die Ausweichrouten soweit möglich dem vorgeschriebenen Luftverkehrsregeln entsprechen. Je nach verfügbarem Zeitbudget kann ein kurzfristiger reaktiver Algorithmus mittels direkter FCS Kommandos, oder ein mittelfristiger Pfadplanungsalgorithmus, welcher einen unter flugtechnischen oder ökonomischen Randbedingungen optimierten Flugplan bestimmt, angewendet werden. In jedem Fall wird das UAV wieder zurück auf die Originalroute geführt.

Durch das vorgeschlagene Verfahren und System ergeben sich folgende Vorteile:

Die Einführung eines onboard Systems in autonomen UAVs zur Konflikt- und Kollisionsvermeidung erlaubt es diese in zivilem und militärischen Luftraum parallel und transparent zu konventionellen Flugzeugen einzusetzen. Durch den Onboard Algorithmus funktioniert das System unabhängig eines Datenlinkes. Durch Berücksichtigung der TCAS Zonen erfolgt keine unnötige Belästigung des restlichen Luftverkehrs. Das hybride System erlaubt, sowohl sicherheitskritische Aspekte abzudecken, als auch höher entwickelte Algorithmen einzusetzen um komplizierte Randbedingungen bei der Bestimmung des Ausweichkurses zu berücksichtigen.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, in der das System mit seinen Komponenten und seine Wirkungsweise anhand von schematischen Darstellungen erläutert werden. Es zeigen

1 die einzelnen Subsysteme des vorgeschlagenen Systems,

2 das vom System durchgeführte Ausweichmanöver,

3 die zur Bewertung der Lage herangezogenen Luftraumzonen und

4 ein Ablaufdiagramm des Entscheidungsprozesses.

Das vorgeschlagene System verwendet verfügbare Onboard Sensoren um sich ein Bild des umgebenden Luftraumes zu machen. Die so erstellte Lage wird auf drohende Konflikte (Kollisionen, TCAS Verletzungen, Luftraumverletzungen) hin untersucht. Wird ein Problem festgestellt, so wird eine hierarchische Suche nach Ausweichmöglichkeiten gestartet, wobei die Ausweichrouten soweit möglich dem vorgeschriebenen Luftverkehrsregeln entsprechen. Je nach verfügbarem Zeitbudget kann ein kurzfristiger reaktiver Algorithmus mittels direkter FCS Kommandos, oder ein mittelfristiger Pfadplanungsalgorithmus, welcher einen unter flugtechnischen oder ökonomischen Randbedingungen optimierten Flugplan bestimmt, angewendet werden. In jedem Fall wird das UAV wieder zurück auf die Originalroute geführt.

In der folgenden Abbildung sind die einzelnen Subsysteme des vorgeschlagenen Systems (links) sowie das Ausweichmanöver (rechts) dargestellt:

Das System wird in einem oder mehren physikalischen Rechnern an Board des UAVs realisiert. Das System kann allerdings prinzipiell auch in einem Rechner realisiert werden. Eine Aufspaltung auf mehrer Rechner ist jedoch möglich, wenn entweder die Rechenleistung eines Rechners nicht ausreicht, die sicherheitskritische von der nicht sicherheitskritischen Software getrennt werden soll, oder die Module funktional auf verschiedene Rechner aufgeteilt werden sollen.

Das System verwendet alle an Bord des UAVs verfügbaren Sensoren, die zur Erkennung anderer Flugzeuge und Hindernisse einsetzbar sind. Beispiele für die Sensoren sind:

• • TCAS-Sensor
• • Radar
• • IR-Sensoren
• • optische Sensoren

Das Bahnvorhersage-Modul extrapoliert die Bahnen aller mittels der Sensoren erfasster Objekte und erstellt daraus eine Prognose für die Flugbahnen dieser Objekte. Für jedes Objekt wird berechnet, ob eine Kollision passieren kann, indem mit den vorhergesagten Bahnen und dem eigenen Flugplan eine Verletzung von Zonen um das Flugzeug überprüft wird. Diese Zonen beinhalten die TCAS Traffic Advisory (TA) & Resolution Advisory (RA) Zonen, siehe Abbildung. Wird eine Verletzung der TCAS RA Zone prognostiziert wird ein geplantes Ausweichmanöver eingeleitet. Darüber hinaus wird einen weitere Zone eingeführt (Autonomous Avoidance Zone [AA]). Eine drohende Verletzung dieser Zone löst ein reaktives Ausweichmanöver aus.

Alle Zonen sind aus zwei Komponenten aufgebaut: Eine feste Entfernung um jedes Flugzeug, welche nicht verletzt werden darf und einen Zeit für das Erreichen dieser Grenze. Zusammen ergeben sich Zonen wie in skizziert.

Die möglichen Gefahren werden nach der schlimmstmöglichen Zonenverletzung priorisiert. Diese Priorisierung bestimmt dann den Typ des Ausweichmanövers. Bei mehreren gleichen Verletzungen, wird eine Ausweichroute gewählt, welche alle bekannten Konflikte vermeidet.

Die Ausweichmanöver berücksichtigen beliebige Luftraumbeschränkungen. Insbesondere können Ausweichmanöver so geplant werden, dass sie einen speziellen Korridor um den originalen Flugpfad herum nicht verlassen. Zudem können Lufträume als gesperrt markiert werden. Diese werden dann vom Algorithmus nicht berücksichtigt.

Alle Luftraum Beschränkungen werden von einem System-Modul den Planungsalgorithmen zur Verfügung gestellt.

Mögliche Ausweichmanöver hängen von der zum Zeitpunkt des Konfliktes verfügbaren Flugleistung des Flugzeuges ab. Diese kann von der nominalen Leistung durch technische Fehler, externe Beschränkungen, oder durch die aktuelle Fluglage reduziert sein.

Ein System-Modul überwacht diese Beschränkungen und filtert mögliche Ausweichmanöver so, dass diese nur innerhalb der zur Verfügung stehenden Flugleistungsgrenzen erfolgen.

Die Bestimmung des gewählten Ausweichalgorithmus (reaktiv oder geplant) sowie der gewählten Ausweichstrategie erfolgt in einem zweistufigen hierarchischen Entscheidungsprozess gemäß 4:

Zuerst wird entscheiden, ob genug Zeit für die Berechnung und Durchführung ein geplantes Ausweichmanöver ist. Ist dies nicht der Fall wird sofort reaktiv ausgewichen. Ist genug Zeit, wird ein Planungsalgorithmus gestartet. Dieser Algorithmus basiert auf einem A* Pfadsuchealgorithmus, welcher aber unter Umständen mehrmals mit verschiedenen Randbedingungen gestartet wird. Diese Konfiguration hängt von dem Szenario ab, typische Möglichkeiten sind:

• 1. Suche horizontalen 2D Pfad, nach rechts
• 2. Suche vertikalen 2D Pfad oben oder unten
• 3. Suche 3D Pfad rechts oben oder rechts unten
• 4. Suche horizontalen 2D Pfad nach links
• 5. Suche vollen 3D Pfad.

In jedem Fall wird geprüft, ob die Pfadsuche in einem vorgegebenen Zeitrahmen abläuft. Wird in diesem Rahmen keine Lösung gefunden und damit eine drohende AA Zonen Verletzung prognostiziert, wird die Entscheidung Ebene 1 wiederholt und eventuell der reaktive Algorithmus als Sicherheitsnetz ausgelöst.

Der reaktive Algorithmus generiert ein einfaches Kurvenmanöver, welches das Flugzeug aus der Gefahrenzone herausfliegt. Mögliche Manöver werden durch Module zur Flugleistung und Luftraumbeschränkungen eingeschränkt. Ist die Gefahrenzone vermieden, wird ein fliegbares Rückkehrmanöver auf die Originalroute eingeleitet.

Diese Manöver werden als direkte Kommandos an die Flugsteuerung weitergegeben.

Es wird ein Pfadplanungsalgorithmus, z. B. A*, eingesetzt, welcher es ermöglicht einen optimalen Pfad anhand einer vorgegebener Kostenfunktion zu berechnen. Der Algorithmus setzt kleine Pfadstücke (Motion primitives, motion segments) in verschiedenen Kombinationen zusammen um so die optimale Kombination für die vorgegebene Kostenfunktion zu finden. Diese Pfadstücke werden als fliegbare Segmente vorgegeben, welches z. B. Kurven und Geradensegmente beinhaltet. Mögliche Manöver werden durch Module zur Flugleistung und Luftraumbeschränkungen eingeschränkt. Der Pfadsuchalgorithmus wird so eingestellt, dass er ein gefahrenfreies Stück auf der Originalroute als Ziel sucht. Dadurch wird die Ausweichroute von einer Position auf der Originalroute zurück auf einen Position der Originalroute führen.

Die Kostenfunktion bestimmt, welche Route der Planungsalgorithmus als optimal findet. Hier können verschiedene Parameter (auch in Kombination) eingesetzt werden. Beispiele sind:

• • Länge oder Zeit des Ausweichroute
• • Treibstoffverbrauch
• • Luftverkehrsregeln
• • Anzahl der nötigen Manöver bzw. Manöveränderungen
• • Lastvielfache während des Manövers
• • Eindringen in unerwünschten oder verbotenen Luftraum

Der so berechnete optimale Ausweichpfad wird dann in den originalen Flugplan eingefügt.

Die unter 0 beschriebenen Zonen hängen von der relativen Geometrie des eigenen Flugzeuges zu jedem möglichem Kollisionspartner ab. Dies ergibt eine hochdynamische Situation, in der sich die Zonen in Form und Größe nicht nur ständig im Flug, sondern auch mit jedem Schritt einer Ausweichplanung ändert. Um diese Situation korrekt zu erfassen, ist es nötig die Flugpfade aller beteiligten Flugzeuge in jedem Schritt einer Planung zu extrapolieren und gleichzeitig die Zonenberechnungen zu aktualisieren. Die Algorithmen arbeiten mit diesen extrapolierten Zonen. Durch die Extrapolation entstandene Fehler werden durch Einführung von Puffer um die unter 0 beschriebenen Zonen abgefangen. In jedem Fall ist es wichtig, dass die berechneten Trajektorien während des Ausweichmanövers auch fliegbar sind, da bei zu großer Abweichung von der geplanten Trajektorie die aktuellen Zonen nicht mit den vorhergesagten übereinstimmen und dadurch Konflikte ausgelöst werden können.

Der System beinhaltet zwei Hauptfunktionalitäten für das Ausweichen:

• 1. Ein sicherheitskritischen reaktiven Teilsystem. Dies kann sehr schnell ein Ausweichmanöver berechnen. Das Manöver wird keinen harten Randbedingungen widersprechen, wie z. B. einem TCAS Advisory, aber keine optimale Flugbahn garantieren.
• 2. Einen nicht sicherheitskritischem Teilsystem basierend auf einem Planungsalgorithmus. Dieser Algorithmus braucht mehr Zeit und ist komplexer, da er alle möglichen Randbedingungen berücksichtigt. und eine optimale Ausweichroute garantiert.

Zu jeder Zeit, also auch wenn der Planungsalgorithmus läuft, wird geprüft, ob die Situation kritisch wird (AA Zonen Verletzung droht). Falls dies der Fall ist wird sofort der reaktive Sicherheitsalgorithmus aktiviert.

Die Einführung eines onboard Systems in autonomen UAVs zur Konflikt- und Kollisionsvermeidung erlaubt es diese in zivilem und militärischen Luftraum parallel und transparent zu konventionellen Flugzeugen einzusetzen. Durch den Onboard Algorithmus funktioniert das System unabhängig eines Datenlinkes. Durch Berücksichtigung der TCAS Zonen erfolgt keine unnötige Belästigung des restlichen Luftverkehrs. Das hybride System erlaubt, sowohl sicherheitskritische Aspekte abzudecken, als auch höher entwickelte Algorithmen einzusetzen um komplizierte Randbedingungen bei der Bestimmung des Ausweichkurses zu berücksichtigen.

Nach unserem Wissen sind folgende Komponenten des Systems neu:

• • Zweistufiges Verfahren reaktiv und geplant, wobei reaktiv sicherheitskritisch ist
• • Berücksichtigung der TCAS Zonen um keine RAs auszulösen
• • Entscheidungsprozess, wohin auszuweichen ist
• • Rückführung auf Originalroute (bei anderen oft unklar)

Hingegen sind folgende Komponenten aus der Literatur bekannt:

• • A* Algorithmus
  
  • P. E. Hart, N. J. Nilsson, B. Raphael, "Correction to: A Formal Basis for the Heuristic Determination of Minimum Cost Paths", SIGART Newsletter, 37, pp. 28–29, 1972
• • Pfadsegmente (Motion primitives)
  
  • N.D. Richards, M. Sharma, D.G. Ward, "A Hybrid A*/Automation Approach to On-line Path Planning with Obstacle Avoidance", AIAA 2004-6229, pp. 1–17, 2004
• • Zweistufiges Verfahren "taktisch" & "strategisch"
  
  • Free Flight Conflight Detection (Kroyel, Mueller, Hunter)
• • TCAS
  
  • ICAO Annex 10, "Surveillance Radar and Collision Avoidance Systems", ICAO Annex 10 Vol. IV, 2002
• • Konfliktvermeidung:
  
  • Aircraft Separation Systems
  
  • Free Flight Conflight Detection (Kroyel, Mueller, Hunter)
• • Kollisionsvermeidung, als solches
  
  • Multisensor based Fully Autonomous Non-Cooperative Collision Avoidance System for UAVs (Fasano et al)
  
  • Autonomous Collision Avoidance of flying Vehicles (Szu et al)
  
  • Sense And Avoid (SAA) & Traffic Alert and Collision Avoidance System (TCAS) Integration for Unmanned Aerial Systems (UAS) (Portilla et al)
  
  • UAV TRAJECTORY DESIGN USING TOTAL FIELD COLLISION AVOIDANCE (Sigurd et al)

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• - "A Hybrid A* Automaton approach to online path planning with obstacle avoidance" von N.D. Richards, M. Sharma, D.G. Ward, in AIAA 2004-6229, pp. 1–17, 2004 [0005]
• - P. E. Hart, N. J. Nilsson, B. Raphael, "Correction to: A Formal Basis for the Heuristic Determination of Minimum Cost Paths", SIGART Newsletter, 37, pp. 28–29, 1972 [0036]
• - N.D. Richards, M. Sharma, D.G. Ward, "A Hybrid A*/Automation Approach to On-line Path Planning with Obstacle Avoidance", AIAA 2004-6229, pp. 1–17, 2004 [0036]
• - Free Flight Conflight Detection (Kroyel, Mueller, Hunter) [0036]
• - ICAO Annex 10, "Surveillance Radar and Collision Avoidance Systems", ICAO Annex 10 Vol. IV, 2002 [0036]
• - Free Flight Conflight Detection (Kroyel, Mueller, Hunter) [0036]
• - Multisensor based Fully Autonomous Non-Cooperative Collision Avoidance System for UAVs (Fasano et al) [0036]
• - Autonomous Collision Avoidance of flying Vehicles (Szu et al) [0036]
• - Sense And Avoid (SAA) & Traffic Alert and Collision Avoidance System (TCAS) Integration for Unmanned Aerial Systems (UAS) (Portilla et al) [0036]
• - UAV TRAJECTORY DESIGN USING TOTAL FIELD COLLISION AVOIDANCE (Sigurd et al) [0036]