Embedded Computing in Forschung und Lehre Das Studierendenprojekt IFSys

Günstigere und leistungsfähigere Embedded-Systeme und Sensorik sowie Unterstützung durch die Industrie erlauben es mittlerweile Studierenden, ihre Projektideen in die Tat umzusetzen. Am Institut für Luft- und Raumfahrt der Technischen Universität Berlin haben sich Studierende im Projekt IFSys (Intelligentes Fliegendes System) zusammengefunden, um ein UAS (Unmanned Aerial System) zu entwickeln.

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Das Projekt bietet Studierenden verschiedenster Fachrichtungen die Möglichkeit, das in Vorlesungen gesammelte Wissen in der Praxis anzuwenden und zu vertiefen. Die Projektkoordination erfolgt am Lehrstuhl für Luft- und Raumfahrt, Fachgebiet Flugmechanik, Flugregelung und Aeroelastizität (Prof. Robert Luckner). Die Studierenden arbeiten dabei entweder in ihrer Freizeit, oder im Rahmen von Abschlussarbeiten am Projekt mit. Dabei bietet sich ein breites Aufgabenspektrum, von stark flugzeugbezogenen Themen wie Flugmechanik, Flugregelung oder Leichtbau, über die Technische Informatik, Elektrotechnik, bis hin zu Öffentlichkeitsarbeit und Marketing.

Das erklärte Ziel ist es, dass das UAV (Unmanned Aerial Vehicle), der fliegende Teil des UAS, automatisch starten, die in Bild 1a und 1b dargestellte Trajektorie abfliegen und im Anschluss automatisch landen kann. Zwischen Start und Landung soll es in einer Höhe von 70 bis 100 m mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s für 20 min ein Suchraster abfliegen.

Ausgehend von der definierten Mission und den daraus folgenden Anforderungen an das Flugzeug, entwarfen die Studierenden den Versuchsträger ALEXIS (Airborne Laboratory for EXperiments on Inflight Systems).

Der Flugversuchsträger ALEXIS

Wie im Aufmacherbild und in Bild 2 zu erkennen ist, handelt sich dabei um ein druckpropellergetriebenes Flugzeug mit zwei Leitwerksträgern und umgedrehten V-Leitwerk. Die Spannweite beträgt 4 m, die Abflugmasse liegt voll ausgerüstet bei etwa 11 kg.

Angetrieben wird es von einem Elektromotor mit 1,5 kW Leistung. Die gewählte Konfiguration erlaubt eine weitestgehend getrennte Unterbringung von Flugsteuerungssystem in der Rumpfnase, Fernsteuerungssystem und Aktuatorik im Flügel und Leitwerk, sowie Antriebssystem im Rumpfheck.

Durch die große Flügelfläche verfügt das Flugzeug über eine geringe Flächenbelastung, was verbunden mit der starken Motorisierung unkritische Flugeigenschaften und damit eine gute Beherrschbarkeit erwarten lässt. Für die Zelle wurde eine im Modellbau weit verbreitete Bauweise gewählt: Der Rumpf besteht aus glas- und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff; Flügel und Leitwerke sind aus einem mit Abachiholz beplankten und glasfaserverstärkten Styroporkern aufgebaut.

Sicherheitskonzept

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, wurde ein Sicherheitskonzept entwickelt, das einem Piloten über eine Funkfernsteuerung ermöglicht, jederzeit die Kontrolle über das Flugzeug zu übernehmen. Dadurch können kritische Flugabschnitte wie Start und Landung von dem Piloten durchgeführt und der Flugregler vorerst in sicherer Höhe getestet werden. Verhält sich das Fluggerät anders als erwartet, kann der Pilot die Kontrolle übernehmen und das Flugzeug stabilisieren und sicher landen.

Wenn das Flugsteuerungssystem soweit ausgereift ist, dass auch Starts und Landungen automatisch durchgeführt werden können, bleibt der Pilot als Beobachter und zusätzlicher Sicherheitsfaktor für unerwartete Ereignisse erhalten. Da das Flugzeug keine Möglichkeit hat, seine Umgebung wahrzunehmen und beispielsweise auf Hindernisse zu reagieren, ist ein solches Konzept für den Betrieb eines UAVs in Deutschland zwingend notwendig.

Hardwarekonzept

Betrachtet man allein die Größe und das Gewicht des Flugzeuges, entsteht leicht der Eindruck, dass es sich lediglich um ein Modellflugzeug mit ungewöhnlicher Konfiguration handelt. Der Unterschied liegt in der Ausstattung des Versuchsträgers: Für automatische Flüge verfügt das Flugzeug über einen Flugsteuerungsrechner (FCC – Flight Control Computer), umfangreiche Sensorik, sowie Aktuatorik.

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