Optisch unterstützte autonome Landung von Flugzeugen

Der Autopilot von Flugzeugen navigiert standardmäßig anhand von GPS-Signalen. Allerdings ist das System anfällig für Messfehler, zum Beispiel durch atmosphärische Störungen. Hinzu kommt: Nicht immer sind die Messfehler zuverlässig zu erkennen. Um eine sichere Landung zu gewährleisten, müssen die Piloten und Pilotinnen deshalb das Steuer ab einer Höhe von 60 Metern immer noch selbst in die Hand nehmen.

Ziel der Forscherinnen und Forscher der TU Braunschweig zusammen mit weiteren Projektpartnern war es, eine vollständig automatische Landung von eVTOLs (elektrisch angetriebene Fluggeräte, die senkrecht starten und landen können) sowie Flächenflugzeugen zu ermöglichen. Merkmale der Landebahn wie Seitenlinien oder Schwellen sollten sicher erkannt und die relative Position des Flugzeugs zuverlässig daraus abgeleitet werden. Das Thermografiesystem VarioCAM® HD head von InfraTec ergänzt dabei eine RGB-Kamera, die bei schlechten Sichtverhältnissen wie Dunst, Dämmerung oder Gegenlicht häufig „blind“ ist.

Eine besondere Herausforderung für die Wissenschaftler bestand darin, dass die Untersuchungen unter realen, also häufig sehr rauen und dynamischen Bedingungen ausgeführt werden mussten. Die Bewegungen und Beschleunigungen des Flugzeugs sowie sehr unterschiedliche Messdistanzen und Umweltbedingungen stellten hohe Anforderungen an das zu entwickelnde optische Referenzsystem.

Als IR-Komponente kam die VarioCAM® HD head 620 mit 15-mm-Objektiv zum Einsatz. Die Wahl fiel auf die robuste Systemkamera, zum einen, weil die geometrische Auflösung von (640 x 480) IR-Pixeln und ein starker Kontrast, der aufgrund der ausgezeichneten thermischen Auflösung entsteht, eine hohe Positionsgenauigkeit garantieren. Zum anderen ließen sich über eine PPS-Triggerung (PPS: Pulse per Second) die Messdaten der Kamera mit einem akkuraten Zeitstempel versehen und so zuverlässig mit anderen Mess- und Zustandsdaten synchronisieren. Eine exakte Ermittlung von Temperaturen war hingegen nicht erforderlich. Mittels GigE-Schnittstelle wurden die von der VarioCAM® HD erzeugten Bilddaten direkt mit dem Prozessierungssystem ausgetauscht und von der Bildsoftware verarbeitet sowie verlustfrei komprimiert aufgezeichnet.

Die Forscher statteten die im Rahmen des Projektes entwickelte Software mit einer Reihe weiterer Funktionen aus. Dazu gehörte der Abgleich der Daten beider Kameras mit den GPS-Signalen, die Berechnung eines virtuellen Leitstrahls für den Landeanflug sowie die Flugregelung für unterschiedliche Phasen des Anflugs. Durch den Einsatz der IR-Kamera von InfraTec konnte die Verfügbarkeit von Messdaten deutlich gesteigert und die autonome Landung damit sicherer gemacht werden.

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte und durch das DLR-Raumfahrtmanagement administrierte Projekt C2Land wurde inzwischen erfolgreich abgeschlossen. Mittlerweile sind ungekühlte Wärmebildkameras mit höherer geometrischer und thermischer Auflösung verfügbar, wie die VarioCAM® HD head 920 mit (1.024 x 768) IR-Pixeln. „Diese bringen uns dem praktischen Einsatz eines optischen Landesystems ein ganzes Stück näher. Mit unseren Untersuchungen konnten wir die technische Machbarkeit eines optischen automatischen Landesystems für die neue Luftfahrzeugklasse der eVTOLs sowie für Flächenflugzeuge zeigen“, erklärt Projektleiter Finn Hübner. „Die neuen Wärmebildkameras von InfraTec mit höherer IR- und thermischer Auflösung ermöglichen eine robustere Detektion aus nie für möglich gehaltenen Entfernungen.“

Alle Abbildungen: © Institut für Flugführung, TU Braunschweig