Autonomes fliegen

 

Getrieben durch den rasanten Fortschritt in Technologiebereichen außerhalb der Luft- und Raumfahrt haben sich die Möglichkeiten bezüglich Umsetzung und Nutzung unbemannter Flugsysteme enorm verbessert. Waren unbemannte Fluggeräte noch vor wenigen Jahren Exoten aus anwendungsfernen Forschungsanstrengungen, so rückt heute eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in greifbare Nähe. Durch das Fehlen von Menschen an Bord ergeben sich dabei zahlreiche neue Möglichkeiten, aber auch Herausforderungen.

 

Um unbemannte Flugsysteme für reale Aufgaben einsetzen zu können, ist eine Vielzahl luftfahrtspezifischer Aufgabenstellungen zu bewältigen. Infolge der speziellen Natur des Fliegens besteht bei keinem Fluggerät schwerer als Luft die Möglichkeit, dieses im Betrieb einfach abzuschalten, da dies zu einem Absturz und damit einem möglichen Verlust des Fluggerätes sowie zu unmittelbarer Gefahr für Mensch und Eigentum am Boden führen würde.

Daher ist ein wesentliches Ziel der gemeinsamen Forschungsanstrengungen im Rahmen dieses Leitprojekts, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Integrität unbemannter Flugsysteme durch die Entwicklung geeigneter Architekturen für Flug-, Steuerungs-, Missions- und Sicherheitssysteme zu maximieren.

 

Die Betrachtung der Randbedingungen ist hierbei treibender Faktor. Bei unbemannten Flugsystemen ist festzuhalten, dass diese nicht nur aus dem Fluggerät, sondern auch der zugehörigen Bodeninfrastruktur und den Datenverbindungen zwischen den beiden Komponenten bestehen. Eine isolierte Einzelbetrachtung des reinen Flugzeugs ist demnach nicht zielführend.

Da die Arbeiten in diesem Leitprojekt an der Erfüllung definierter Missionen ausgerichtet sind, gilt es darüber hinaus, die Flugsysteme auch hinsichtlich ihrer Konfiguration und Architektur für die betrachtete Aufgabe zu optimieren. Dabei bieten die unbemannten Systeme eine Vielzahl neuer Freiheitsgrade. Neben klassischen konventionellen Starr- und Drehflüglern sind auch Multirotorsysteme, Hybridkonzepte, innovative Antriebe etc. zu berücksichtigen.

 

Zur Bearbeitung des Themas ist eine enge Vernetzung mit angrenzenden Fachdisziplinen unumgänglich; die Berücksichtigung der Ergebnisse aus anderen Gebieten stellt dabei eine große Bereicherung dar. Aufgrund der spezifischen Randbedingungen fliegender Systeme, etwa der sicherheitsrelevanten Aspekte, liegt der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten aber in Bereichen, die originär der Luftfahrt zuzuordnen sind. Die zukunftsweisenden Ziele des Vorhabens besitzen Pioniercharakter mit großem Anwendungspotenzial – auch für Branchen außerhalb der Luft- und Raumfahrt.


Forschungsgruppen im leitthema „autonomes fliegen“

Certifiable Autonomy in Unmanned Aerial Vehicles

 

Start: 01.10.2014

Forschungsgruppenleitung: Dr. Gunther Reißig (UniBw)

Beteiligte Partner:

  • UniBw (Institut für Steuer- und Regelungstechnik)
  • TUM (Professur für Hybride Regelungssysteme)

 

 

Optimierung des Wiedereintritts zur Minimierung der Aufheizung oder der Infrarotsignatur

(auch Sicherheit im Orbit)

 

Start: 01.10.2016

Forschungsgruppenleitung: Prof. Christian Mundt (UniBW)

Beteiligte Partner:

  • UniBw (Lehrstuhl für Aerothermodynamik, Lehrstuhl für Ingenieurmathematik)
  • TUM (Lehrstuhl für Flugsystemdynamik)
  • DLR (Raumflugbetrieb und Astronautentraining, Institut für Robotik und Mechatronik)

 

 

Generierung von optimalen Referenzflugbahnen für autonome Flugsysteme unter Berücksichtigung von Konfigurationsänderungen

 

Laufzeit: 13.10.2011 - 30.04.2016

Forschungsgruppenleitung: Prof. Matthias Gerdts (UniBw)

Beteiligte Partner:

  • TUM (Lehrstuhl für Flugsystemdynamik)
  • UniBw (Lehrstuhl für Ingenieurmathematik)
  • Bauhaus Luftfahrt (Team Visionäre Flugzeugkonzepte)

 

 

Missionsgetriebene Auslegung, Regelung und Ausrüstung

 

Laufzeit: 01.01.2012 - 30.06.2017 im Rahmen der Helmholtz-Allianz DLR@Uni als „Leitprojekt“

Forschungsgruppenleitung: Dr. Konstantin Kondak (DLR)

Beteiligte Partner:

  • DLR (Institut für Robotik und Mechatronik)
  • TUM (Lehrstuhl für Flugsystemdynamik, Lehrstuhl für Luftfahrtsysteme, Lehrstuhl für Hubschraubertechnologie)
  • UniBw (Institut für Flugsysteme)
  • Bauhaus Luftfahrt (Team Visionäre Flugzeugkonzepte)

 

 


 

Publikationen

Journal Papers

 

2015

 

DAE Forum, Editors: A. Ilchmann, T. Reis, pp. 103-161, Springer

A survey on optimal control problems with differential-algebraic equations

Gerdts M

 

IEEE Trans. Automat. Control

Feedback refinement relations for the synthesis of symbolic controllers (conditionally accepted as paper)

G. Reissig, Weber A, and Rungger M

 

Set-Valued and Variational Analysis, Vol. 23(1), pp. 149-167

Mathematical Programs with Blocks of Vanishing Constraints Arising in Discretized Mixed-Integer Optimal Control

K. Palagachev, Gerdts M

 

Submitted for journal publication, arXiv:1507.05014

Compositional construction of approximate abstractions of interconnected control systems

Rungger M and Zamani M

 

Submitted for journal publication, arXiv:1508.06496

Approximations of stochastic hybrid systems: A compositional approach

Zamani M, Rungger M, Esfahani P M

 

 

2014

 

CEAS Aeronautical Journal

Comparative Assessment of Transient Characteristics of Conventional and Hybrid Gas Turbine Engine

Wortmann G, Schmitz O, Hornung M

 

IEEE Transactions on Automatic Control, Special Issue on Control of Cyber-Physical Systems, forthcoming, arXiv: 1302.3868

Symbolic control of stochastic systems via approximately bisimilar finite abstractions

Zamani M, Esfahani P M, Majumdar R, Abate A, and Lygeros J

 

Journal of Aerospace Operations

Optimal Scheduling of Fuel-Minimal Approach Trajectories

Fisch F, Bittner M, Holzapfel F

 

Journal of Industrial and Management Optimization, Vol. 10(1), pp. 311-336

Convergence Analysis of Euler Discretization of Control-State Constrained Optimal Control Problems with Controls of Bounded Variation

Gerdts M, Kunkel M

 

SIAM J. Control Optim., 52(5):2857–2876

Classical and strong convexity of sublevel sets and application to attainable sets of nonlinear systems

Weber A, Reißig G

 

Systems and Control Letters, 69:38–46

Approximately bisimilar symbolic models for randomly switched stochastic systems

Zamani M, Abate A

 

 

2013

 

Advances in Space Research, Vol. 51(7), pp. 1116-1131

MIDACO on MINLP Space Applications

Schlüter M, Erb S O, Gerdts M, Kemble S, Rückmann J J

 

A Journal of Mathematical Programming and Operations Research, Vol. 62(1), pp. 9-32

Approximations of Linear Control Problems with Bang-Bang Solutions, Optimization

Alt W, Baier R, Gerdts M, Lempio F

 

Control and Optimization, Vol. 3(3), pp. 519-548

Approximation of Reachable Sets using Optimal Control Algorithms, Numerical Algebra

Baier R, Gerdts M, Xausa I

 

J. Math. Anal. Appl., 400(2):743–750

Local characterization of strongly convex sets

Weber A, Reißig G

 

System & Control Letters, vol.62, pp. 29-36

Parallelizing a State Exchange Strategy for Noncooperative Distributed NMPC

Pannek J

 

Quantitative Evaluation of Systems, volume 8054 of Lecture Notes in Computer Science, pp. 305–321

Symbolic control of stochastic switched systems via finite abstractions

Zamani M, Abate A

 

 

2012


American Institute of Physics Conference Proceedings, no. 1493, pp. 830-837

Periodic Optimal Control for Range Maximization of Powered Sailplanes with Retractable Electric Motor

Sachs G, Lenz J, Holzapfel F

 

Computational Optimization and Applications, Vol. 51(2), pp. 867-882

Virtual control regularization of state constrained linear quadratic optimal control problem

Gerdts M, Hüpping B

DOI: 10.1007/s10589-010-9353-3

 

Control and Optimization, Vol. 2(3), pp. 547-570

Error bounds for Euler approximation of linear-quadratic control problems with bang-bang solutions, Numerical Algebra

Alt W, Baier R, Gerdts M, Lempio F

 

Control and Optimization with Differential-Alebraic Equations, pp. 189-212

Mixed-Integer DAE Optimal Control Problems: Necessary Conditions and Bounds

Gerdts M, Sager S

 

IEEE Transaction on Automatic Control, 57(7):1804–1809

Symbolic models for nonlinear control systems without stability assumptions

Zamani M, Pola G, Tabuada P

 

Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 35, no. 4

On the Solution of Bilevel Optimal Control Problems to Increase the Fairness in Air Races

Fisch F, Lenz J, Holzapfel F, Sachs G

 

Optimization, Vol. 61(7), pp. 873-900

A Numerical Study of MIDACO on 100 MINLP Benchmarks

Schlüter M, Gerdts M, Rückmann J J

 

SIAM Journal on Numerical Analysis, Vol. 50(4), pp. 1982-2011

Smoothing technique of nonsmooth Newton methods for control-state constrained optimal control problems

Chen J, Gerdts M

 

 

2011

IEEE Trans. Automat. Control, 56(11):2583–2598

Computing abstractions of nonlinear systems

Reißig G

 

 

 


Conference Papers

 

2015

 

8th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, Sarajevo

Numerical simulations of atomization and flash evaporation of cryogenic nitrogen injection

Ramcke T, Pfitzner M

 

54th IEEE Conference on Decision and Control

Construction of approximations of stochastic control systems: A compositional approach (accepted)

Zamani M, Rungger M, and Esfahani P M

 

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress

Auslegung und Konstruktion eines Hauptrotorblattes für ein in extremen Flughöhen operierendes Drehflügel-UAV

Pflumm T, Barth A, Kondak K, Hajek M

 

ENRI Int. Workshop on ATM/CNS (EIWAC2015), EN-A-043, Tokyo, Japan

Optimal Conflict Free Approach Trajectoriesfor Multiple Aircraft (to be published)

Bittner M, Rieck M, Grüter B, Holzapfel F

 

ENRI Int. Workshop on ATM/CNS (EIWAC2015), EN-A-041, Tokyo, Japan

Generation of dynamic models with automatically generated derivatives for ATM optimal control in MATLAB (to be published)

Rieck M , Bittner M, Grüter B, Holzapfel F

 

ENRI Int. Workshop on ATM/CNS (EIWAC2015), EN-A-041, Tokyo, Japan

Allocation, Sequencing and Trajectory Generation for Aircraft Using Superimposed Navigation Functions and Optimal Control (to be published)

Grüter B, Bittner M, Rieck M, Holzapfel F

 

IEEE 6th International Conference on Automation, Robotics and Applications

Uniform Ultimate Boundedness of a Model Reference Adaptive Controller in the Presence of Unmatched Parametric Uncertainties

Heise C D, Holzapfel F

 

International Conference on Data Communication Networking, DCNET 2015

Indoor localization of point of interest using RO-SLAM

Rodríguez Y, Barbancho J, Viguria A

 

RA-L and ICRA for the IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L)

Hybrid Visual Servoing with Hierarchical Task Composition for Aerial Manipulation (in revision phase)

Lippiello V, Cacace J, Santamaria-Navarro A, Andrade-Cetto J, Angel Trujillo M, Rodriguez Y, Viguria A

 

Proceedings of the AVIATION2015, Dallas

Development of an Object Oriented Data Model for an Aircraft Design Environment in MATLAB

Herbst S, Hornung M

 

Proceedings of the AVIATION2015, Dallas

Development, Startup Operations and Tests of a Propeller Wind Tunnel Test Rig

Speck S, Herbst S, Kim H, Stein F, Hornung M

 

Proceedings of the 18th International Conference on Hybrid Systems: Computation and Control, pages 68–77. ACM New York, USA

Compositional construction of approximate abstractions

Rungger M, Zamani M

 

Proceedings of the IEEE Conf. Decision and Control (CDC), Osaka, Japan

State space grids for low complexity abstractions (accepted)

Rungger M, Weber A, Reißig G

 

Proceedings of the IFIP Conference 2015, Sophia Antipolis, France

Exploitation of the value function in a bilevel optimal control problem

Palagachev K, Gerdts M

 

 

2014

 

6th International Conference on Research in Air Transportation

Optimization of ATM Scenarios Considering Overall and Single Costs

Bittner M, Fleischmann B, Richter M, Holzapfel F

 

 

Aerospace Electronics and Remote Sensing Technology (ICARES), 2014 IEEE International, IEEE, pp. 34-38

Optimal trajectories for RPAS with discrete controls and discrete constraints

Rieck M, Richter M, Bittner M, Holzapfel F

 

AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, National Harbour

Application of MINLP Techniques to Conflict Resolution of Multiple Aircraft

Richter M, Hochstrasser M, Walter L, Bittner M, Holzapfel F

 

AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, National Harbour

A Realistic Flight Path Parameterization for Calculation of Noise Minimal Trajectories using Bi-level Optimal Control

Richter M, Bittner M, Rieck M, Holzapfel F

 

European Rotorcraft Forum (ERF)

Conceptual Study for an Autonomous Rotorcraft for Extreme Altitudes

Barth A, Feil R, Kondak K, Hajek M

 

German Aerospace Congress, Vol. 63

Investigating Propeller Design and Power Demand for Parametric Search and Mark Missions for UAVs

Wortmann G, Herbst S, Hornung M

 

German Aerospace Congress Vol.63

Conceptual Design Studies of Vertical TakeOff and Landing Unmanned Aerial Vehicles for Hybrid Missions

Herbst S, Wortmann G, Hornung M

 

ICAS 29th International Conference

A Non-Cooperative Bi-Level Optimal Control Problem Formulation for Noise Minimal Departure Trajectories

Richter M, Bittner M, Rieck M, Holzapfel F

 

ICAS 29th International Conference

Generation of Initial Guesses for Optimal Control Problems with Mixed Integer Dependent Constraints

Rieck M, Richter M, Bittner M, Holzapfel F

 

Proceedings of the IEEE Conf. Decision and Control (CDC), Los Angeles, CA, U.S.A., 15-17 Dec. 2014, pp. 88–94

Feedback refinement relations for symbolic controller synthesis

Reißig G, Rungger M

 

Proceedings of the 5th International Workshop on Networks of Cooperating Objects for Smart Cities 2014 (UBICITEC 2014), pp. 16-26, Co-located with CPSWeek, Berlin

ANIMO, Framework to simplify the real-time distributed communication

Rodríguez Y, Alejo I, Alejo C, Viguria A

 

Proceedings of the 17th International Conference on Hybrid Systems: Computation and Control, pp. 41–50

Bisimilar symbolic models for stochastic control systems without state-space discretization

Zamani M, Tkachev I, Abate A

 

Proceedings of the 53rd IEEE Conference on Decision and Control

Finite abstractions of networked control systems

Zamani M, Mazo Jr. M, Abate A

 

Proceedings of the 53rd IEEE Conference on Decision and Control

Compositional approximations of interconnected stochastic hybrid systems

Zamani M

 

IEEE Conference on Decision and Control

Time-Delay Margin Computation of Model Reference Adaptive Control using the Razumikhin Theorem

Heise C D, Holzapfel F

 

IEEE International Conference on Aerospace Electronics and Remote Sensing Technology

Hexacopter outdoor flight test results of an Extended State Observer based controller

Heise C D, Falconí G, Holzapfel F

 

IJUSEng 2014, Vol. 2, No. 3, 45-60

Design-Driver of Hybrid Mission Scenarios: Effects on Unmanned Aerial Vehicle Design and Mission Management

Herbst S, Klöckner A

 

Modelling and Simulation for Autonomous Systems Workshop (MESAS)

Simulation Engineering Tools for Algorithm Development and Validation Applied to Unmanned Systems

Alejo I, Rodríguez Y, Alejo C, Stoilov J, Viguria A

 

 

 

2013

 

4th International Air Transport and Operations Symposium, Tolouse, France

Noise-minimal approaches on parallel runways

Richter M

 

4th International Air Transport and Operations Symposium, Tolouse, France

Noise Minimal Approaches on Parallel Runways

Richter M, Bittner M, Holzapfel F

 

19th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace, (ACA2013)

Optimal Rendezvous Path Planning to an Uncontrolled Tumbling Target

Michael J, Chudej K, Gerdts M, Pannek J

 

AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference

Performance and Robustness Metrics for Adaptive Flight Control – Available Approaches

Heise C D, Leitão M, Holzapfel F

 

AIAA Infotech@Aerospace (I@A) Conference, Reston, Virginia, American Institute of Aeronautics and Astronautics, p. 1

Airborne sensor and perception management: Experiments and Results for surveillance UAS

Russ M, Schmitt M, Hellert C, Stütz P

 

AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, Boston, USA

Discrete Control Dependent Constraints in Multiple Shooting Optimal Control Problems

Rieck M, Richter M, Holzapfel F

 

AIAA GNC and Co-Located Conferences 2013, Boston, USA

An Automatic Mesh Refinement Method for Aircraft Trajectory Optimization Problems

Bittner M, Bruhs P, Richter M, Holzapfel F

 

AIAA GNC and Co-Located Conferences 2013, Boston, USA

Robust Noise Optimal Approach Trajectories

Richter M, Holzapfel F

 

Control Theory of Digitally Networked Systems, Springer Verlag

Distributed and networked model predictive control

Findeisen R, Allgöwer F, Fischer J, Groß D, Grüne L, Hanebeck U D, Pannek J, Stursberg O, Worthmann K, Varutti P, Kern B, Reble M, Müller M

 

EUCASS 2013

Optimization of Mid to Long Range Flights Considering Air-to-Air Refueling for Fuel Savings

Bittner M, Hornfeck C, Holzapfel F

 

Information Fusion (16th FUSION)

Application of a probabilistic market-based approach in UAV sensor & perception management

Russ M, Stütz P

 

Matlab Expo, München

Berechnung lärmminimaler An- und Ablfugrouten

Richter M, Bittner M, Rieck M, Holzapfel F

 

Proceedings of the 3rd International Conference on Models and Technology for Intelligent Transportation Systems, MT-ITS 2013, Dresden, Germany

A Mixed-Integer Optimal Control Approach for Aircraft Landing Model

Palagachev K, Rieck M, Gerdts M

 

Proceedings of the IEEE Conf. Decision and Control (CDC), Florence, Italy, 10-13 Dec. 2013, pp. 3190–3196, New York

Abstraction-based solution of optimal stopping problems under uncertainty

Reißig G, Rungger M

 

 

 

2012

 

3rd International Air Transport and Operations Symposiu

Optimal Scheduling of Fuel-Minimal Approach Trajectories

Fisch F, Bittner M, Holzapfel F

 

3rd International Air Transport and Operations Symposium, Delft, the Netherlands

Noise-Minimal Landing and Take-off Trajectories under Procedural and Safety Regulations

Richter M, Fisch F, Holzapfel F

 

AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference

A Multi-model Gauss Pseudospectral Optimization Method for Aircraft Trajectories

Bittner M, Fisch F, Holzapfel F

 

AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, Minneapolis, Minnesota

Noise-Minimal Approach Trajectories in Mountainous Area

Fisch F, Richter M, Holzapfel F, Hornung M

 

AIAA-Infotech

LIDAR-based Object Detection on Small UAV: Integration, Experimentation and Results

Russ M, Vohla M, Stütz P, OYoung S

 

CAO2012, 2012, pp. 284-289

Predictive Control Algorithms: Stability despite Shortened Optimization Horizons

Braun P, Pannek J, Worthmann K

 

CDC2012, Maui, USA pp. 14-19

Ensuring Stability in Networked Systems with Nonlinear MPC for Continuous Time Systems

Grüne L, Pannek J, Worthmann K

 

DGLR Workshop Flugbahnen, Trajektorien, Flugplanung

Optimierung von Flugbahnen unter Berücksichtigung verschiedener Modellierungen

Bittner M, Fisch F, Holzapfel F

 

Information Fusion (15th FUSION)

Airborne sensor and perception management: A conceptual approach for surveillance UAS

Russ M, Stütz P

 

MATHMOD, Report No., pp. 38

Modelling and Optimal Control of a Docking Maneuver with an Uncontrolled Satellite

Chudej K, Michael J, Pannek J

 

NMPC2012, Noordwijkerhout, Netherlands, 2012, pp. 311-316

Robust Stability and Performance Bounds for NMPC with Abstract Update

Pannek J, Gerdts M

 

Proceedings of the 51st International Conference on Decision and Control CDC2009, Maui, USA, pp. 2605-2610

Analysis of Unconstrained Nonlinear MPC Schemes with Time Varying Control Horizon

Grüne L, Pannek J, Seehafer M, Worthmann K

 

 

 

2010

 

Proceedings of the 49th IEEE Conf. Decision and Control (CDC), Atlanta, GA, U.S.A., 15-17 Dec. 2010, pp. 5911-5917, New York

Abstraction based solution of complex attainability problems for decomposable continuous plants

Reißig G

 

 

 

 

BÜcher


Optimal Control of ODEs and DAEs, DeGruyter 2011

Gerdts M

 


Kapitel

 

Methoden und Anwendungen der Regelungstechnik. Erlangen-Münchener Workshops 2013 und 2014, Herzogenrath: Shaker (Berichte aus der Steuerungs- und Regelungstechnik)

Zustandsschätzung nach Kalman auf einem bewegten Horizont variabler Länge

Bittner, Matthias; Buhl, Michael; Lohmann, Boris (2015)

 

MaDiFa 2014 conference book

Numerical Approaches Towards Bi-level Optimal Control Problems with Scheduling Tasks (submitted)

Gerdts M, Palagachev K

 

 

 

Preise

Willy Messerschmitt-Studienpreis 2013, DGLR, Stuttgart, Germany

Rieck M