DE102019103173A1

DE102019103173A1 - Verfahren und System zur Bewegungsplanung für Fluggeräte, insbesondere für last- und/oder personentragende VTOL-Fluggeräte

Info

Publication number: DE102019103173A1
Application number: DE102019103173.7A
Authority: DE
Inventors: Florian-Michael Adolf; Markus Ortlieb
Original assignee: Volocopter GmbH
Current assignee: Volocopter GmbH
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2020-08-13
Also published as: US11450215B2; US20200327814A1; CN111552310A; CN111552310B

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren und ein System (10) zur Bewegungsplanung für Fluggeräte (1), insbesondere für verteilt elektrisch angetriebene, last- und/oder personentragende Multikopter, umfassend: eine Bewegungs-Vorausplanungseinheit (11), die dazu ausgebildet und bestimmt ist, mittels einer Recheneinheit am Boden oder an Bord eines betreffenden Fluggeräts (1) einen Vorausplanungsalgorithmus (12) auszuführen, durch den eine Referenztrajektorie, Notfalltrajektorien (Ni), insbesondere Notlandetrajektorien, in vorzugsweise regelmäßigen Intervallen entlang der Referenztrajektorie und Konfidenzintervallen (3.i) entlang der Referenztrajektorie bestimmbar sind, welche Konfidenzintervalle (3.i) jeweils ein Raumvolumen angeben, in welchem das Fluggerät (1) ohne vorgeplante Bahn manövrieren, welches das Fluggerät (1) jedoch nicht oder nur an vordefinierten Stellen verlassen kann; eine Speichereinheit, in der Parameter der Referenztrajektorie, Parameter der Konfidenzintervalle (3.i) und Parameter betreffend ein zulässiges Abweichen des Fluggeräts (1) von der Referenztrajektorie in einer Datenbank (19) an Bord des Fluggeräts (1) nach Maßgabe durch die Bewegungs-Vorausplanungseinheit (11) gespeichert oder speicherbar sind; eine Echtzeit-Steuerungseinheit (18) an Bord des Fluggeräts (1), die für eine Echtzeit-Bewegungsplanung des Fluggeräts (1) unter Verwendung der genannten Parameter und der Konfidenzintervalle (3.i) sowie von durch eine Anzahl von Sensoren erfassten Systemdaten des Fluggeräts (1) ausgebildet und bestimmt ist; und eine Ansteuerungseinrichtung (23), die zum Ansteuern von Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen (24, 25) des Fluggeräts (1) mittels aus der Echtzeit-Bewegungsplanung abgeleiteten Steuer-/Regelsignalen (S/R) ausgebildet und bestimmt ist, wobei die Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen (24, 25) des Fluggeräts (1) derart angesteuert oder ansteuerbar sind, dass das Fluggerät (1) entweder a) entlang der Referenztrajektorie oder b) bei gegebener oder erforderlicher Abweichung von der Referenztrajektorie entlang einer Echtzeit-Trajektorie innerhalb eines Konfidenzintervalls (3.i) oder entlang einer Notfalltrajektorie (Ni) bewegt oder bewegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungsplanung für Fluggeräte, insbesondere für (verteilt elektrisch angetriebene, last- und/oder personentragende) senkrecht startende und landende (VTOL-)Fluggeräte (Multikopter), gemäß Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft auch ein System zur Bewegungsplanung für Fluggeräte, insbesondere für (elektrisch angetriebene), last- und/oder personentragende VTOL-Fluggeräte, gemäß Anspruch 18.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Fluggerät, insbesondere ein (verteilt elektrisch angetriebenes, senkrecht startendes und landendes) last- und/oder personentragendes VTOL-Fluggeräte, gemäß Anspruch 26.
Angesichts der Bevölkerungs- und städtebaulichen Entwicklung besteht heute Bedarf an Fluggeräten, insbesondere elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, last- und/oder personentragenden Fluggeräten, die als Transportmittel der Zukunft speziell in urbanen Umgebungen einsetzbar und von ungeschulten Nutzern auch ohne Pilotenausbildung steuerbar sein sollen. Vorzugsweise soll sogar ein völlig autonomes Fliegen mit derartigen Fluggeräten möglich sein. Dafür bedarf es einer umfassenden Bewegungsplanung und eines entsprechenden Bewegungsplaners, um während des Flugbetriebs Probleme oder gar Unfälle nach Möglichkeit vollständig zu vermeiden.
Für jeweils Teilaspekte eines solchen Bewegungsplaners wurden in der Vergangenheit schon Studien durchgeführt. So wurden bereits Planungsumgebungen für die Erstellung umfassend vorgeplanter, kartenbasierter Missionen im militärischen Umfeld entwickelt und zugelassen (NASA). Dabei wurde die Sicherheit durch in regelmäßigen Streckenintervallen vorgeplante Notlandetrajektorien gewährleistet, die im Flug von einem Zustandsautomaten in Echtzeit angewählt werden konnten. Ebenfalls kartenbasiert wurden bereits in den 1990er Jahren sog. GCAS (Ground Collision Avoidance System)-Systeme entwickelt, die automatisiert Kollisionen mit dem Geländeverlauf durch gezielte Manöver verhindern (NASA, Airbus).
Eine vollständige Missionsvorplanung („Mission“ wird hier und im Folgenden synonym zu dem Begriff „Flug“ verwendet) hat den Nachteil, dass die Entscheidungsfähigkeit während des Flugs stark eingeschränkt ist auf die vor dem Flug berücksichtigten bzw. vorhersehbaren Szenarien. In einer unsicherheitsbehafteten Umgebung, wie einem unübersichtlichen urbanen Umfeld mit einer Vielzahl an (beweglichen) Hindernissen erfordert dies eine komplexe Vorausplanung, um auch unwahrscheinliche Ereignisse vor deren Eintreten vorhersehen und berücksichtigen zu können. Dies geht bei direkter, unüberlegter Umsetzung mit einem praktisch nicht mehr handhabbaren Rechen- und Speicheraufwand einher.
Im Gegensatz zur reinen Vorausplanung, bei der alle möglichen Flugzustände, die das Fluggerät während der Mission einnehmen kann, vorab bekannt sein müssen, bieten auf der Flugplattform (dem Fluggerät) selbst ausgeführte (Echtzeit-)Planungsalgorithmen weitaus eingeschränktere Transparenzeigenschaften, was die erforderliche Prüfung und Zertifizierung durch Aufsichtsbehörden erschwert. Außerdem kann der Rechenbedarf erheblich und entsprechend die Ausführbarkeit unter Echtzeitbedingungen fraglich sein. Häufig handelt es sich bei den genannten (Echtzeit-)Planungsalgorithmen um optimierungs- oder Sampling-basierte Ansätze, die kein deterministisches, im Vorfeld eindeutig bekanntes Verhalten aufweisen. Dies stellt insbesondere bei der Zertifizierung der Planungsumgebung für personentragende Fluggeräte ein Hindernis dar. Grundsätzlich sind die maßgeblichen Behörden daran interessiert sicherzustellen, dass während der Bahnplanung bzw. während des Fluges jederzeit wiederholbar und deterministisch feststellbar ist, wo sich das Fluggerät (genau) befindet.
Damit bestehen im Stand der Technik eindeutige Defizite hinsichtlich der Steuerungs- und Planungsverfahren um eine nachvollziehbare, echtzeitfähige Luftfahrtnavigation und deterministische Entscheidungsfindung an Bord bei gleichzeitig hohen Sicherheitsanforderungen (Operational Safety) und niedrigem Ressourcenverbrauch während des Flugs zu gewährleisten (Computational Efficiency).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und sowohl ein Verfahren als auch ein System der eingangs definierten Art anzugeben, das bei erhöhter Transparenz zwecks Prüfung und Zertifizierung durch die Aufsichtsbehörden eine Echtzeit-Ausführbarkeit bei vertretbarem Rechen- und Speicheraufwand bietet und zur autonomen, zivilen Luftfahrtnavigation in komplexer Umgebungen mit hohen Sicherheitsanforderungen eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein erfindungsgemäßes System mit den Merkmalen des Anspruchs 18 und durch ein erfindungsgemäßes Fluggerät mit den Merkmalen des Anspruchs 26. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Idee sind in den Unteransprüchen definiert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bewegungsplanung für Fluggeräte, insbesondere für VTOL-Fluggeräte, z.B. verteilt elektrisch angetriebene, last- und/oder personentragende Multikopter, beinhaltet: eine Bewegungs-Vorausplanung mittels einer Recheneinheit am Boden oder an Bord eines betreffenden Fluggeräts mit Bestimmung einer Referenztrajektorie, eine Vorausplanung von Notfalltrajektorien, insbesondere Notlandetrajektorien, in vorzugsweise regelmäßigen Intervallen entlang der Referenztrajektorie (Sollflugbahn) und einer Vorgabe bzw. Definition von sog. Konfidenzintervallen (erwartete, zulässige Abweichungen) entlang der Referenztrajektorie, welche Konfidenzintervalle jeweils ein Raumvolumen repräsentieren, in welchem das Fluggerät ohne vorgeplante Bahn manövrieren, welches das Fluggerät jedoch nicht oder nur an vordefinierten Stellen verlassen kann; ein Speichern von Parametern der Referenztrajektorie und Parametern betreffend ein zulässiges Abweichen des Fluggeräts von der Referenztrajektorie sowie der Konfidenzintervalle (bzw. entsprechender Parameter) in einer Datenbank an Bord des Fluggeräts; eine Echtzeit-Bewegungsplanung an Bord des Fluggeräts unter Verwendung der genannten Parameter sowie sensorisch erfasster oder von extern bereitgestellter Umgebungs- und Systemdaten des Fluggeräts, aus welchen Umgebungs- und Systemdaten ein Systemzustand des Fluggeräts ableitbar ist (z.B. durch Schätzung oder Vorhersage anhand eines Modells); und ein Ansteuern von Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen des Fluggeräts mittels aus der Echtzeit-Bewegungsplanung abgeleiteten Steuer-/Regelsignalen. Bei dem Verfahren werden Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen des Fluggeräts derart angesteuert, dass das Fluggerät entweder a) entlang der Referenztrajektorie oder b) bei gegebener (z.B. durch Windeinfluss) oder erforderlicher (z.B. wegen Auftauchen eines Hindernisses) Abweichung von der Referenztrajektorie entlang einer in Echtzeit neuberechneten Trajektorie innerhalb eines Konfidenzintervalls oder entlang einer Notfalltrajektorie bewegt wird.
Ein solches Verfahren zur Bewegungsplanung überwindet die Lücke zwischen deterministischem Planungsverhalten, der Echtzeitausführbarkeit des Planungsalgorithmus und der notwendigen Vorhersagbarkeit der Trajektorienfolgeperformanz unter definierten Betriebsbedingungen (z.B. Wetter und Flugstrecke), reduziert den erforderlichen Rechen- und Speicheraufwand und schafft erhöhte Transparenz zwecks Prüfung (Inspektion) und Nachweisführung gegenüber den Aufsichtsbehörden durch den Luftfahrzeugbetreiber. Ein wichtiger Aspekt ist in diesem Zusammenhang das Vorsehen der genannten Konfidenzintervalle entlang der Referenztrajektorie, wobei es sich jeweils um ein Raumvolumen handelt, in welchem das Fluggerät ohne exakt vorgeplante Bahn im Prinzip frei innerhalb des Volumens manövrieren kann, weil kein (bekanntes) Gefahrenpotenzial existiert, welches das Fluggerät jedoch nicht oder nur an vordefinierten Stellen verlassen kann, sodass die erforderliche Lokalisierbarkeit des Fluggeräts sichergestellt ist.
Ein erfindungsgemäßes System zur Bewegungsplanung für Fluggeräte, insbesondere für elektrisch angetriebene, last- und/oder personentragende Multikopter, umfasst: eine Bewegungs-Vorausplanungseinheit, die dazu ausgebildet und bestimmt ist, mittels einer Recheneinheit am Boden oder an Bord eines betreffenden Fluggeräts einen Vorausplanungsalgorithmus auszuführen, durch den eine Referenztrajektorie, Notfalltrajektorien, insbesondere Notlandetrajektorien, in vorzugsweise regelmäßigen Intervallen entlang der Referenztrajektorie und Konfidenzintervallen entlang der Referenztrajektorie bestimmbar sind, welche Konfidenzintervalle jeweils ein Raumvolumen angeben, in welchem das Fluggerät ohne vorgeplante Bahn manövrieren, welches das Fluggerät jedoch nicht oder nur an vordefinierten Stellen verlassen kann; eine Speichereinheit, in der Parameter der Referenztrajektorie, Parameter der Konfidenzintervalle und Parameter betreffend ein zulässiges Abweichen des Fluggeräts von der Referenztrajektorie in einer Datenbank an Bord des Fluggeräts nach Maßgabe durch die Bewegungs-Vorausplanungseinheit gespeichert oder speicherbar sind; eine Echtzeit-Steuerungseinheit an Bord des Fluggeräts, die für eine Echtzeit-Bewegungsplanung des Fluggeräts unter Verwendung der genannten Parameter und der Konfidenzintervalle sowie durch eine Anzahl von Sensoren erfasster oder von extern bereitgestellter Umgebungs- und Systemdaten des Fluggeräts ausgebildet und bestimmt ist; und eine Ansteuerungseinrichtung, die zum Ansteuern von Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen des Fluggeräts mittels aus der Echtzeit-Bewegungsplanung abgeleiteten Steuer-/Regelsignalen ausgebildet und bestimmt ist, wobei die Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen des Fluggeräts derart angesteuert oder ansteuerbar sind, dass das Fluggerät entweder a) entlang der Referenztrajektorie oder b) bei gegebener oder erforderlicher Abweichung (siehe oben) von der Referenztrajektorie entlang einer Echtzeit-Trajektorie innerhalb eines Konfidenzintervalls oder entlang einer Notfalltrajektorie bewegt oder bewegbar ist.
Ein erfindungsgemäßes Fluggerät, insbesondere VTOL-Fluggerät, vorzugsweise in Form eines verteilt elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, last- und/oder personentragenden Multikopters, umfasst zumindest die an Bord des Fluggeräts befindlichen Komponenten oder Merkmale des erfindungsgemäßen Systems, insbesondere: die (optionale) Bewegungs-Vorausplanungseinheit; die Speichereinheit mit der Datenbank; die Echtzeit-Steuerungseinheit, die Ansteuerungseinrichtung; und einen Systemmonitor, der dazu ausgebildet und bestimmt ist, verfügbare Daten über das Fluggerät zu erfassen und bereitzustellen Daten.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass vor einem Flug oder einer Mission die Bewegungs-Vorausplanung durchgeführt wird, um ein Vorausplanungsergebnis zu erhalten, welches die Referenztrajektorie (oder Nominaltrajektorie) und die Notfalltrajektorien umfasst. Dies beinhaltet eine Analyse einer Menge erreichbarer Zustände, die sich durch (maximale) Abweichungen von der Referenztrajektorie ergeben können, und eine Vorgabe strenger Priorisierungsprotokolle zum Erreichen einer Echtzeitausführbarkeit mit quasi-deterministischem Verhalten auf einer Recheneinheit, entweder einer bodengestützten Recheneinheit oder einer Recheneinheit an Bord des Fluggeräts. Die genannten Abweichungen resultieren beispielsweise aus Messungenauigkeiten und/oder Regler-/Steuerungsabweichungen an Bord des Fluggeräts. Dann erfolgt ein Speichern des Vorausplanungsergebnisses und ggf. der Priorisierungsprotokolle (sofern noch nicht vorhanden) in der Datenbank an Bord des Fluggeräts. Ein Zustandsautomat an Bord des Fluggeräts ermittelt auf Basis eines aktuellen Umgebungs- und Systemzustandes, der anhand von Sensordaten von an Bord des Fluggeräts befindlichen Sensoren und anhand von externen Daten, wie z.B. UTM/ATM-Daten, Wetterdaten, etc., oder Daten aus einer Kommunikation mit anderen, vorzugsweise gleichen Fluggeräten, ermittelt wird, einen zu einem gegebenen Zeitpunkt während des Flugs zulässigen Bahnplanungsmodus, mit welchem Bahnplanungsmodus zu jeder Zeit entweder der Flug (die Mission) durch Erreichen eines Zielortes des Fluggeräts abgeschlossen werden oder sicher vorzeitig beendet werden kann, insbesondere durch eine sichere Notlandung oder durch Erreichen eines Ausweichziels. Während des Fluges erfolgt die Bewegungsplanung in Echtzeit automatisiert durch die Recheneinheit an Bord des Fluggeräts nach dem ermittelten Bahnplanungsmodus unter Berücksichtigung der Menge erreichbarer Zustände (Erreichbarkeitsmenge) unter strikter Priorisierung von vordefinierten Manövertypen anhand der Priorisierungsprotokolle bei Einhaltung der definierten Konfidenzintervalle und vorgegebener Flugebenen und ein Ergebnis dieser Echtzeit-Bewegungsplanung steuerungstechnisch für eine Echtzeit-Flugsteuerung des Fluggeräts genutzt wird.
Die Berechnung erfolgt vorzugsweise für jeden Fluggeräte-Typ und für jede Mission, da sich je nach Missionsprofil äußere Störungen ändern können (z.B. Wind, Luftdichte, etc). Wenn wiederholt der gleiche Fluggeräte-Typ in der gleichen Mission, d.h. bei (praktisch) identischen äußeren Störungen fliegt, kann eine Neuberechnung entfallen.
Die Erreichbarkeitsmenge kann z.B. dadurch berücksichtigt werden, dass ermittelt wird, welche Positionen im Raum das betrachtete Fluggerät aufgrund von Störeinflüssen (Abdrift etc.) oder fehlender Auflösung verwendeter Stellmittel (für Motordrehzahlen, Leitwerkeinstellungen oder dgl.) trotz nomineller Bewegung entlang der Referenztrajektorie theoretisch erreichen könnte. Zur Darstellung dieser Menge kann eine diskrete Repräsentation in Form einer Erreichbarkeitsmenge pro Trajektorie (Einhüllende möglicher Flugrouten) unter Berücksichtigung unterschiedlicher Performance-Zustände des Fluggeräts (z.B. Nominalzustand, Ausfallszenarien, Umgebungsbedingungen) vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, das Fluggerät und/oder bekannte Hindernisse zu Planungszwecken mit einer „Hülle“, d.h. einem nicht zugänglichen Pufferbereich zu versehen bzw. zu umgeben.
Konkret kann das erfindungsgemäße Verfahren bei entsprechender Ausgestaltung folgende Form annehmen:

1. Auf Basis von 3D-Kartendaten mit überlagerten zusätzlichen Informationen, wie z.B. Flugverbotszonen, Wetterdaten, Gefahrenpotenzialkarten (was bedeutet, dass Bereiche in der Karte mit unterschiedlichen Potenzialen belegt werden - ungünstige Bereiche haben ein höheres Potenzial, günstige Bereiche haben ein niedrigeres Potenzial), Notlandeplätzen, etc., wird eine Nominalflugroute ermittelt.
2. Auf Basis dieser Nominalflugroute wird eine Nominaltrajektorie (die Referenztrajektorie) berechnet.
3. Darauf aufbauend werden in festen Abständen Notfalltrajektorien zu den jeweils günstigsten Notlandeplätzen berechnet.
4. Auf der Grundlage der Daten aus den Punkten 1.-3. werden Konfidenzintervalle entlang der Nominaltrajektorie zugewiesen. Diese Konfidenzintervalle können superpositioniert sein, was bedeutet, dass Konfidenzintervalle mit verschiedenen Funktionen (z.B. Ausweichen, Warteschleifen, etc.) überlagert werden können.
5. Mit diesem Datenmaterial kann bei den Behörden um Freigabe des Fluges gebeten werden, was noch Veränderungen der geplanten Trajektorie zur Folge haben kann (z.B. können einzelne (Notfall-)Trajektorien zu verwerfen sein).
6. Die durch die Behörden freigegebenen Daten werden dann auf dem Fluggerät gespeichert und stehen für die Echtzeitplanung zur Verfügung.

Die o.g. Punkte 2. und 3. beinhalten, dass spezifisch für jede Kombination aus einem Fluggerätetyp und der zu planenden Mission eine Analyse der Erreichbarkeitsmenge (zu verstehen als maximaler Bahnfolgefehler/-abweichung) durchgeführt wird, wie oben bereits erwähnt. Diese Analyse bzw. deren Ergebnis fließt in die Berechnungen der Nominaltrajektorien mit ein.
Diese Erreichbarkeitsmenge ist zu unterscheiden von einer sog. Flugenvelope: Diese beschreibt die flugmechanischen Betriebsgrenzen eines jeweiligen Flugzeugtyps. Je nach ausgewähltem Bahnplanungsmodus (z.B. ein normaler Passagierflug von Punkt A nach B) werden nur Teilbereich der Flugenvelope freigegeben (z.B., weil Passagiere normalerweise nicht mehr als eine Beschleunigung von 1,2 g erfahren dürfen), wohingegen z.B. in einem Notfallmodus die maximale Performance des Fluggeräts (bis an den Rand der Flugenvelope) vom Autopiloten freigegeben wird.
Durch diese neuartige Kombination aus Vorausplanung, Berücksichtigung der Erreichbarkeitsmenge, der Konfidenzintervalle und strenger Priorisierungsprotokolle wird eine Echtzeitausführbarkeit mit quasi-deterministischem Verhalten erreicht. Ein Zustandsautomat (insbesondere in Form eines Algorithmus oder einer Schaltlogik) an Bord des Fluggeräts (vorzugsweise in Form eines eingebetteten („embedded“) Rechners) bestimmt auf Basis des aktuellen Systemzustandes, der von einem Systemmonitor aufgrund von internen und externen (bezogen auf das Fluggerät) Umgebungs-und Systemdaten bestimmt wird, den jeweils zulässigen Bahnplanungsmodus anhand von Kriterien, wie Sicherheit oder Effizienz, mit welchem Bahnplanungsmodus zu jeder Zeit entweder die Mission abgeschlossen werden oder sicher vorzeitig beendet werden kann. Dies wird auch als „fail-operational“ (Erreichen des Zielortes) bzw. „fail-safe (sichere Notlandung oder Erreichen eines Ausweichziels) bezeichnet.
Die Planung erfolgt unter strikter Manöver-Priorisierung anhand der Priorisierungsprotokolle, wonach z.B. en-route-Manöver (d.h. Manöver auf einer vorausgeplanten Flugroute, z.B. Abbremsen, siehe unten) vor vertikalen Manövern (Steigen, Sinken) vor horizontalen Manövern (seitliches Ausweichen) durchgeführt werden, bei denen die Flugroute nach oben/unten bzw. rechts/links verlassen wird. Ebenso kann ein Steigen höher priorisiert sein als ein Sinken. Dabei erfolgt die Einhaltung der definierten Konfidenzintervalle und ggf. vorgegebener Flugebenen (Flughöhen). Ähnlich einer vollständig vorausgeplanten Mission ermöglicht die hier beschriebene Bahnplanung genaue Aussagen über nicht-erreichbare Orte und Zustände. Das Verfahren berechnet bei entsprechender Ausgestaltung sowohl eine Kombination einzelner Flugbahnen als auch geschlossene Mengen für die Online-Planung zugelassener Bahnen, bei denen es sich um eine (vorzugsweise konservativ, d.h. mit Sicherheitspuffer abgeschätzte) Vereinigungsmenge aller zugelassener Flugbahnen handeln kann.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach vorgesehen, dass als Ergebnis der Analyse der Menge erreichbarer Zustände sowohl eine Kombination einzelner Flugbahnen als auch wenigstens eine geschlossene Menge für das Fluggerät zulässigen Flugbahnen, vorzugsweise eine konservativ abgeschätzte Vereinigungsmenge aller für das Fluggerät zulässigen Flugbahnen, bestimmt wird. Diese Vereinigungsmenge aller zulässigen Flugbahnen kann vorzugsweise alle Konfidenzintervalle und die vorausgeplanten Referenz- und Notfalltrajektorien umfassen.
Dadurch wird ein schwieriges Planungsproblem trotz enger Grenzen (z.B. räumliche Ausdehnung, beschränkte Flugleistung) auf eingebetteten Rechnern in Echtzeit lösbar.
Dies wird vorzugsweise durch eine quasi-deterministische Vorausplanung über quasi-diskrete Zustände in Verbindung mit einer strikten Priorisierung und Eingrenzung der Anzahl berücksichtigter Flugmanöver ermöglicht. Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach vorgesehen, dass eine Anzahl berücksichtigter Flugmanöver während der Echtzeit-Flugsteuerung begrenzt ist, insbesondere durch Beschränkung auf Manöverbibliotheken, die eine endliche Menge möglicher Flugbahnen oder Flugbahnabschnitte zur Bahnplanung umfassen, welche Manöverbibliotheken in einer Datenbank an Bord des Fluggeräts vorgehalten werden, wobei die Manöverbibliothek vorzugsweise vordefinierte Steuer-/Regelsignale für Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen des Fluggeräts umfassen, beispielweise in Form von Lookup-Tabellen, und höchst vorzugsweise durch Ausnutzung von Symmetrien und Superposition speicheroptimiert in der Datenbank gespeichert wird.
Die Benutzung von Manöverbibliotheken ist hier lediglich als eine Möglichkeit von vielen zu verstehen. Wichtig ist, dass unter Berücksichtigung der Erreichbarkeitsmenge eine Echtzeitplanung innerhalb der Grenzen vorgegebener Intervalle durchführbar ist.
Hierdurch ergibt sich während des Fluges eine gegenüber einer reinen, festen Vorplanung erhöhte Planungsflexibilität, welche wiederum die Integration reaktiver Planungsanteile (z.B. Kollisionsvermeidung oder die Einhaltung ausreichenden Abstands zum übrigen Luftverkehr - Separation) erlaubt. Darüber hinaus wird bei gleichbleibender Transparenz und Überprüfbarkeit die Komplexität der Vorausplanung sowie die Speicherkomplexität der auf dem Fluggerät vorzuhaltenden Planungslösung entscheidend reduziert.
Jede Manöverbibliothek kann bei entsprechender Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einen Fluggerätetyp angepasst sein (z.B. Flugleistung, neuer Einsatzort), sodass alle aus ihnen abgeleiteten Flugbahnen für alle Fluggeräte desselben Typs nutzbar sind. Dies verbessert die Einsetzbarkeit und senkt den Kosten- bzw. Zeitaufwand.
Alternativ könnte jedoch auch bei Verwendung anderer Planungsmethoden eine Repräsentation der Erreichbarkeitsmenge in Abhängigkeit des Flugzustandes für einen gegebenen Fluggerätetyp bestimmt und wiederverwendet werden.
Durch die Vorplanung mittels Konfidenzintervallen ist vor Abflug jedes mögliche Ereignis, das während des Fluges auftreten kann, adäquat berücksichtigt, wodurch insbesondere die Nachvollziehbarkeit für Betreiber, Luftraummanagement (ANSPs: Air Navigation Service Provider) und Luftfahrtbehörden gewährleistet ist.
Das hier beschriebene Bahnplanungsverfahren umfasst je nach Ausgestaltung eine oder mehrere, bevorzugt alle, der folgenden Fähigkeiten:

1. Vorausplanung der Flugbahn in urbaner Umgebung;
2. Berücksichtigung von Landeplätzen und Notlandeverfahren;
3. Kollisionsvermeidung für Detect-and-Avoid (DAA);
4. Separation zu angrenzendem Luftverkehr (im Sinne einer sog. „Well-Clear“-Funktion; Vorgabe durch ATM/UTM - Air Traffic Management bzw. Unmanned Aircraft System Traffic Management).

Es basiert je nach Ausgestaltung auf einer oder mehreren, vorzugsweise allen, der folgenden Rahmenbedingungen, die vor Abflug spezifiziert sein sollten:

1. Es werden Landeplatzinformation, Gefahrenpotentiale (z.B. am Boden, in Bodennähe und in der Luft), Luftraumstrukturen, Wetterinformationen, etc. in einer erweiterten 3D-Karte des Fluggebietes bereitgestellt, welche als Grundlage des Bahnplanungsverfahrens dienen.
2. Es werden beschränkte Störeinwirkungen während des Nominalbetriebs (z.B. maximale Wind- und Böenstärke) angenommen, welche zu Abweichungen von der Flugbahn führen können.
3. Flugleistungsparameter (z.B. Dynamik und Kinematik) des Luftfahrzeugs sind bekannt und werden in der Flugsteuerung und Planung berücksichtigt. Dabei bestimmen positive und negative Maximalwerte der Flugleistungsparameter sowie die Struktureigenschaften des Fluggeräts die Flugenvelope.
4. Modellgüte (d.h. eine Abweichung zwischen Modell und beobachtetem Flugverhalten).
5. Auf Basis der Punkte 2. - 4. wird eine Analyse der Erreichbarkeitsmenge (also der Vereinigungsmenge aller möglichen Zustände durchgeführt, die aus einer Reglervorgabe aufgrund von Fehlern, Auflöse-Ungenauigkeiten etc. resultieren können).
6. Es werden Manöverbibliotheken (d.h. eine endliche Menge möglicher Flugbahnabschnitte zur Bahnplanung) unter Berücksichtigung der Erreichbarkeitsmenge (vgl. unten 1 und 3) bereitgestellt, was vorzugsweise für einen gegebenen Fluggerätetyp nur einmal erfolgen muss.
7. Es wird eine Menge an Konfidenzintervallen mit zugeordneten Eigenschaften (z.B. Manöver-Teilmenge, Funktionszuweisung) definiert und bereitgestellt bzw. mit der Referenztrajektorie verknüpft.

Während des Flugs existiert eine Möglichkeit einer Zustandsautomatisierung, d.h. einer automatischen Ausführung einer Aktion, die durch Eintreten eines Zustandes (hier eines Systemzustands) ausgelöst wird. Der Systemzustand des Fluggeräts kann sich aus Sensor-Messwerten, externen Daten und/oder einer darauf basierenden Modellvorhersage ergeben.
Bei einer ersten entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach vorgesehen, dass vor Abflug eine erweiterte 3D-Karte des betreffenden Fluggebietes (in elektronischer Form) bereitgestellt wird, welche insbesondere Landeplatzinformation, Gefahrenpotentiale (z.B. am Boden, in Bodennähe und in der Luft), Luftraumstrukturen, Wetterinformationen, etc. umfasst und welche als Grundlage des Bahnplanungsverfahrens dient.
Bei einer zweiten entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach vorgesehen, dass die Analyse der Erreichbarkeitsmengen wenigstens eine der folgenden Einflussgrößen berücksichtigt:

- (externe) Störeinwirkungen während des Nominalbetriebs (z.B. eine maximale Wind- und Böenstärke);
- Flugleistungsparameter (z.B. Dynamik und Kinematik) des Fluggeräts (entsprechend der erwähnten Flugenvelope);
- die Modellgüte (d.h. die Abweichung zwischen Modell und einem beobachteten realen Flugverhalten);

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist - wie bereits detailliert beschrieben wurde - vorgesehen, dass die Konfidenzintervalle jeweils ein (räumliches, geographisches) Volumen angeben, in welchem das Fluggerät ohne vorgeplante Bahn manövrieren kann, welches es jedoch nicht oder nur an vordefinierten Stellen verlassen kann bzw. darf. Die Konfidenzintervalle können darüber hinaus bei einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise jeweils mit wenigstens einer bestimmten Eigenschaft verknüpft werden, wobei höchst vorzugsweise jedem Konfidenzintervall entsprechend seiner Eigenschaft oder Funktion eine Teilmenge der Manöverbibliothek zugewiesen wird, wobei höchst vorzugsweise innerhalb eines Konfidenzintervalls die Manöverausführung strikt priorisiert ist (z.B. nach Maßgabe durch ein Priorisierungsprotokoll) und Funktionen innerhalb eines Konfidenzintervalls superpositionierbar sein können.
Die Funktion eines Konfidenzintervalls bestimmt die Art von innerhalb des Konfidenzintervalls zulässigen Manövern (z.B. Warteschleifen, hartes Ausweichen, weiches Ausweichen, etc.). Entsprechend der Funktion können weitere Eigenschaften hinzugefügt werden. Beispielsweise wird in einem Konfidenzintervall, das die Funktion „hartes Ausweichen“ hat (also die Rettung von Passagieren und Fluggerät unter Ausnutzung aller verfügbaren Reserven), die zulässige Flugenvelope weniger eingeschränkt sein als bei einem Konfidenzintervall mit der Funktion „weiches Ausweichen“ (Ausweichen unter Berücksichtigung von Passagierkomfort und Systemverschleiß). Dadurch bedingt können z.B. unterschiedliche Teilmengen einer eventuell verwendeten Manöverbibliothek für das betreffende Konfidenzintervall freigegeben werden, um bestimmte Manöver in der Planung explizit auszuschließen.
Ein Konfidenzintervall kann für mehrere Funktionen freigegeben werden. Die Eigenschaften der betreffenden Funktionen werden dann überlagert (= superpositioniert). Je nach Implementierung des Verfahrens ist die Vereinigungsmenge aller Eigenschaften dann für alle Funktionen verfügbar oder aber - bevorzugt - durch eine Fallunterscheidung weiterhin abhängig von der Funktion freigegeben.
Es resultiert je nach Ausgestaltung des Verfahrens ein mehrstufiger Bahnplanungsprozess, der einen oder mehrere der folgenden, vorzugsweise alle folgenden Schritte umfasst:

1. Identifikation von Notlandeplätzen auf der genannten Karte und bevorzugt Klassifizierung derselben nach bestimmten Kriterien (z.B. Sicherheit, Gefährdungspotential durch Umwelt, Krankenhaus, Eignung, Erreichbarkeit, etc.).
2. Vorausplanung einer optimierten Referenztrajektorie am Boden, d.h. vor einem Flug oder vor Missionsbeginn auf einem Anwender-PC (Computer mit Anwenderbetriebssystem) oder vor dem Start an Bord des Fluggeräts, auf einem eingebetteten Computer an Bord des Luftfahrzeugs.
3. Vorausplanung der Notfall- bzw. Notlandetrajektorien in regelmäßigen Intervallen am Boden auf dem Anwender-PC oder vor Start an Bord des Fluggeräts.
4. Definition und Zuweisung von Konfidenzintervallen entlang der vorgeplanten Routen (der Referenztrajektorie, ggf. zuzüglich der Notfalltrajektorien),
5. Echtzeitplanung der tatsächlichen Flugbahn entlang der Referenztrajektorie und - sofern zutreffend - innerhalb der Konfidenzintervalle an Bord des Fluggerätes. Dazu werden nacheinander und zeitlich wiederholt bevorzugt folgende Schritte ausgeführt:
1. I. Aktualisierung des Systemzustands (durch den Systemmonitor, woraus der Zustandsautomat den Bahnplanungsmodus aktualisiert)
2. II. Daraus abgeleitet, insbesondere anhand einer Ortskoordinate und einer erforderlichen Aktion (z.B. Ausweichen), Aktualisierung des zu befliegenden Konfidenzintervalls (siehe oben).
3. III. Aktualisierung der berechneten Flugbahn aus dem vorherigen Zeitschritt unter Berücksichtigung von Konfidenzintervalleigenschaften und Priorisierungsprotokoll durch beispielsweise eine modellbasierte Planungsmethode mit beschränktem Zeithorizont, z.B. eine „Model-predictive control (MPC) oder eine „Receding horizon method (RHM).

Bei einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach vorgesehen, dass vor einem Flug vorzugsweise nacheinander folgende Schritte ausgeführt werden:

a. Identifikation von Notlandeplätzen auf einer Karte, insbesondere der o.g. 3D-Karte, und bevorzugt deren Klassifizierung nach bestimmten Kriterien (wie Sicherheit, Gefährdungspotential durch Umwelt, Krankenhaus, Eignung, Erreichbarkeit, etc.);
b. Vorausplanung einer optimierten Referenztrajektorie auf der Recheneinheit;
c. Vorausplanung von Notfall-/Notlandetrajektorien in regelmäßigen Intervallen entlang der Referenztrajektorie auf der Recheneinheit;
d. Definition und Zuweisung von Konfidenzintervallen zumindest entlang der vorgeplanten Referenztrajektorie, ggf. einschließlich der Notfall-/Notlandetrajektorien;

Bei einer anderen entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach vorgesehen, dass während der Echtzeit-Bewegungsplanung eine tatsächliche Flugbahn entlang der Referenztrajektorie und innerhalb der Konfidenzintervalle durch die Recheneinheit an Bord des Fluggeräts bestimmt wird. Dies beinhaltet:

i. Ein Update des Bahnplanungsmodus durch den Zustandsautomaten;
ii. Ein Update eines aktuell zu befliegenden Konfidenzintervalls anhand des Systemzustands;
iii. Ein Update der bestimmten bzw. berechneten Flugbahn aus einem vorherigem Zeitschritt unter Berücksichtigung von Konfidenzintervalleigenschaften und des Priorisierungsprotokolls durch beispielsweise eine modelbasierte Planungsmethode mit beschränktem Zeithorizont, z.B. eine „Model-predictive control (MPC) oder eine „Receding horizon method (RHM).

Das von der Anmelderin entwickelte Verfahren wird, je nach Ausgestaltung, vorzugsweise zu variablen Teilen am Boden und während des Fluges an Bord des Fluggeräts durchgeführt. Ausführungsort des Bodenanteils kann dabei der Bordrechner des Fluggerätes während des Aufenthalts am Boden oder auch ein externer Anwender-PC sein, von welchem in einem Zwischenschritt die Ergebnisse vor dem Start auf das Fluggerät übertragen werden. Der Echtzeit-Anteil wird im Flug und an Bord des Fluggerätes auf der dort verfügbaren Bordrecheneinheit ausgeführt. Der zu diesem Zweck bevorzugt vorgesehene Algorithmus kann derart ausgebildet sein, dass er sowohl auf einem Computer mit Anwenderbetriebssystem (Anwender-PC) als auch auf Embedded-Systemen ausführbar ist. Eine genauere Spezifikation der Rechner-Hardware ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Dennoch ist im Rahmen einer besonderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems vorgesehen, dass die Echtzeit-Steuerungseinheit als sich an Bord des Fluggerätes befindliche Recheneinheit, insbesondere ein Embedded-System oder ein Anwender-PC, ausgebildet ist, auf welchem ein Algorithmus für eine Echtzeit-Bewegungsplanung des Fluggeräts eingerichtet und ausgeführt oder ausführbar ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems kann entsprechend vorsehen, dass die Bewegungs-Vorausplanungseinheit als Embedded-System oder als Anwender-PC ausgebildet ist, wobei im Falle einer bezüglich des Fluggeräts externen Recheneinheit die genannten Parameter einer fertig vorgeplanten Mission vor dem Start auf das Fluggerät übertragbar sind.
Um die Echtzeitplanung und -ausführung einer Flugverbindung zwischen zwei Punkten im Raum zu vereinfachen, kann am Boden auf Basis vorhandener Karten (siehe die obige Beschreibung der Rahmenbedingungen) eine teilweise Vorausplanung der Mission durchgeführt werden. Deren Ergebnisse werden vorzugsweise in einer Datenbank an Bord des Fluggerätes gespeichert und mitgeführt. Unter Zuhilfenahme dieser Datenbank kann die Komplexität des Echtzeit-Algorithmus maßgeblich reduziert werden. Diese Reduzierung des Vorplanungs- und Speicheraufwands stellt einen bedeutenden Vorteil dar, der im Rahmen der Erfindung erreichbar ist.
Zur Vorausplanung am Boden auf Missionsebene können unterschiedliche Datenschichten der genannten Karten zu einem abstrakten Gefahrenpotential zusammengefasst („fusioniert“) werden, welches eine Art Dichte unerwünschter Einflüsse auf das Fluggerät und dessen Mission in Abhängigkeit von einem geographischen Ort repräsentiert. Eine gewichtete Kostenfunktion aus diesem Gefahrenpotential, der Anzahl und Art erreichbarer Notlandeplätze sowie einer energetischen Effizienz kann optional für die Optimierung einer vorgeplanten Flugroute zwischen Start- und Endpunkt herangezogen werden. Eine so erstellte Flugroute kann dann mit Trajektorien für unterschiedliche Bahnplanungsmodi erweitert werden. In vorzugsweise festgelegten Streckenintervallen werden Notfalltrajektorien zu einem jeweils nächstgelegenen Notlandeplatz berechnet und in einer Datenbank abgelegt. Pro Wegstreckenintervall werden bevorzugt Trajektorien unter Berücksichtigung verschiedener Fluggerätezustände (z.B. Nominal-Zustand oder Ausfallszenarien, bei denen z.B. wenigstens ein Sensor einen nicht zulässigen Messwert liefert - beispielsweise „Akku-Ladestand zu niedrig“) und Optimierungsziele berechnet und ebenfalls in der Datenbank abgelegt. Optimierungsziele können unter anderem Zeit-, Sicherheits- oder Effizienzoptimalität sein. Die Bahnplanung erfolgt vorzugsweise mittels an sich bekannter, quasi-zufälliger Algorithmen zur Bahnplanung. Damit werden deterministische Eigenschaften erzwungen. Im vorzugsweise nächsten Schritt können die Konfidenzintervalle entlang der Route geplant werden, in welchen das Fluggerät bei Bedarf frei manövrieren kann (vgl. 2). Diese Konfidenzintervalle können zusammen mit einer jeweiligen Funktion, Position und Ausdehnung in der Datenbank abgelegt werden. Für jedes Konfidenzintervall kann ein Verbleiben innerhalb zugehöriger Intervallgrenzen algorithmisch sichergestellt werden. Falls die Vorplanung auf einem externen Rechner stattfindet, wird die Datenbank der Vorausplanung vor dem Flug bzw. vor Missionsbeginn auf das Fluggerät transferiert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach vorgesehen, dass das Verfahren zu variablen Anteilen am Boden und während des Fluges an Bord des Fluggeräts ausgeführt wird, wobei Ausführungsort des am Boden ausgeführten Anteils die Recheneinheit an Bord des Fluggerätes während des Aufenthalts am Boden oder eine externe Recheneinheit ist, von welcher externen Recheneinheit in einem Zwischenschritt die Ergebnisse der Vorausplanung vor dem Start auf das Fluggerät übertragen werden, während der beim Flug ausgeführte Anteil an Bord des Fluggeräts auf der dortigen Recheneinheit ausgeführt wird, wobei vorzugsweise der betreffende Algorithmus derart ausgestaltet ist, dass er sowohl auf einem Rechner mit Anwenderbetriebssystem als auch auf Embedded-Systemen ausführbar ist.
Bei einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach vorgesehen, dass die verwendete Karte unterschiedliche Datenschichten umfasst und dass unterschiedliche Datenschichten der Karte zu einem abstrakten Gefahrenpotential vereinigt werden, welches eine Dichte unerwünschter Einflüsse auf das Fluggerät und dessen Mission in Abhängigkeit von einem Ort repräsentiert, so dass eine gewichtete Kostenfunktion aus diesem Gefahrenpotential, einer Anzahl und Art erreichbarer Notlandeplätze sowie einer energetischen Effizienz für die Optimierung einer vorgeplanten Flugroute zwischen Start- und Endpunkt heranziehbar ist.
Bei einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Flugroute mit Trajektorien für unterschiedliche Bahnplanungsmodi erweitert wird, wozu in festgelegten Streckenintervallen Notfalltrajektorien zum jeweils nächstgelegenen Notlandeplatz berechnet und in einer Datenbank abgelegt werden, wobei vorzugsweise pro Streckenintervall Trajektorien unter Berücksichtigung verschiedener Fluggerätezustände und Optimierungsziele berechnet und abgelegt werden, welche Optimierungsziele unter anderem ein Zeit-, Sicherheits- oder Energieeffizienz-Optimum sein können.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist, Konfidenzintervalle, vorzugsweise wie weiter oben definiert, entlang der Flugroute zu planen, in welchen Konfidenzintervallen das Fluggerät bei Bedarf, vorzugsweise frei oder unbeschränkt, manövrieren kann. Diese Konfidenzintervalle werden, vorzugsweise mit Angaben zu ihrer Funktion, einer geografischen Position und räumlicher Ausdehnung, in der Datenbank abgelegt, wobei höchst vorzugsweise für ein gegebenes Konfidenzintervall ein Verbleiben des Fluggeräts innerhalb zugehöriger Intervallgrenzen algorithmisch-flugsteuerungstechnisch sichergestellt wird.
Im Zuge der Echtzeitplanung und -ausführung an Bord des Fluggerätes kann die vorgeplante Bahn als eine Referenztrajektorie während des Fluges dienen. Während des Flugs wird bevorzugt die tatsächliche Bahn mittels einer Optimierungsmethode berechnet, die zumindest zeitweise bzw. abschnittweise durch Aneinanderreihen von Manövern aus der Manöverbibliothek in jedem Zeitschritt eine der Referenztrajektorie folgende Bahn mit beschränktem Zeithorizont, d.h. nicht notwendiger Weise bis zum Ende der Mission durchgeplant, generiert (dies ergibt eine besondere Art von Manöverautomation), wobei die Verwendung von Manöverbibliotheken nur eine Möglichkeit vieler ist.
Bei einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann demnach vorgesehen sein, dass die vorgeplante Flugroute als Referenztrajektorie während des Fluges dient, während im Flug die tatsächliche Flugbahn mittels einer Optimierungsmethode und eines Echtzeitalgorithmus durch die Recheneinheit an Bord des Fluggeräts berechnet wird, wobei die tatsächliche Flugbahn zumindest zeitweise bzw. abschnittweise durch Aneinanderreihen von Manövern aus der Manöverbibliothek in jedem Zeitschritt eine der Referenztrajektorie folgende Flugbahn mit einem beschränkten Zeithorizont generiert wird.
Die Echtzeit-Steuerung bzw. der zu diesem Zweck bevorzugt eingesetzte Echtzeitalgorithmus umfasst bei entsprechender Ausgestaltung einen Zustandsautomaten (siehe oben), der ausgehend von einem momentanen, sensorisch erfassten Systemzustand des Fluggeräts einen zu verwendenden Bahnplanungsmodus bestimmt bzw. auswählt. Zu jedem Zeitschritt wählt der genannte Algorithmus bevorzugt zwischen einer endlichen Anzahl diskreter, vordefinierter Bahnplanungsmodi, von denen bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung jeder jeweils mit der nominalen Bahn, einer Notfall-/Notlandetrajektorie oder einem Konfidenzintervall und zugehöriger Manöverteilmenge korrespondiert (vgl. 3). Vorzugsweise folgt die Bahnplanung einem Manöverprotokoll, welches eine Manöverabfolge in Abhängigkeit von den jeweils verfügbaren Möglichkeiten hierarchisch regelt. Für jedes Konfidenzintervall wird bevorzugt ein Verbleiben innerhalb der zugehörigen Intervallgrenzen algorithmisch sichergestellt.
Bei einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann demnach weiterhin vorgesehen sein, dass der Echtzeitalgorithmus mit dem Zustandsautomaten zusammenwirkt, der anhand eines momentanen Systemzustands des Fluggeräts, der sensorisch bestimmt werden kann, einen Bahnplanungsmodus bestimmt bzw. auswählt, wobei vorzugsweise der Echtzeitalgorithmus zu jedem Zeitschritt zwischen einer endlichen Anzahl diskreter Bahnplanungsmodi auswählen kann, von denen jeder jeweils mit der vorgeplanten Flugroute, einer Notfall-/Notlandetrajektorie oder einem Konfidenzintervall und zugehöriger Manöverteilmenge korrespondiert.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems kann entsprechend vorsehen, dass dieses zusätzlich einen Zustandsautomaten an Bord des Fluggeräts umfasst, der vorzugsweise als ein Algorithmus oder eine Schaltlogik ausgebildet ist und der in Abhängigkeit von System-und Umgebungsdaten des, die durch Sensoren an Bord des Fluggeräts erfasst werden können, sowie externen Daten, wie z.B. UTM/ATM-Daten, Wetterdaten, etc., unterschiedliche Systemverhalten auslöst (auswählt), wobei der Zustandsautomat an Bord des Fluggerätes und während des Fluges ausgeführt oder ausführbar ist.
Die gesamte Missionsplanung kann in Abschnitte, z.B. in die Abschnitte Start, (Normal-)Flug und Landung, unterteilt werden. Für diese Abschnitte können jeweils unterschiedliche Priorisierungen und Teilmengen der Manöverbibliothek definiert werden. Beispielsweise wird während eines Start- oder Landevorgangs ein horizontales Ausweichen als ein exemplarisches Manöver vor einem vertikalen Ausweichen (ein anderes mögliches Manöver) priorisiert; im Flug kann dies bevorzugt gerade umgekehrt sein.
Bei einer ersten entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die gesamte Bewegungsplanung in verschiedene Abschnitte, insbesondere Start, Flug und Landung, unterteilt wird, wobei vorzugsweise für wenigstens einige Abschnitte unterschiedliche Priorisierungsprotokolle und Teilmengen der Manöverbibliothek definiert werden.
Bei einer anderen entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach vorgesehen, dass das Generieren der Flugbahn einem Priorisierungsprotokoll folgt, welches eine Manöverabfolge in Abhängigkeit von den verfügbaren Möglichkeiten regelt.
Sofern eine entsprechende Richtlinie der zuständigen Luftfahrtbehörden existiert, können die Einzelschritte des Verfahrens separat hoheitlich zur Verwendung zugelassen und in vereinfachter zu einer insgesamt zugelassenen Lösung integriert werden.
Bevorzugt wirkt gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems die Echtzeit-Steuerungseinheit mit der Speichereinheit und dem Zustandsautomaten zusammen, um basierend auf den gespeicherten Parametern und dem vom Zustandsautomaten ausgelösten Systemverhalten (bzw. einem ausgewählten Bahnplanungsmodus) eine tatsächliche Flugbahn zu berechnen und entsprechende Steuer-/Regelsignale an die Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen des Fluggeräts auszugeben.
Bevorzugt weist gemäß einer wieder anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems die Bewegungs-Vorausplanungseinheit und ein darauf ausgeführter Vorplanungsalgorithmus Eingänge 1) für Kartenmaterial und entsprechende Kartendaten in Form verbreiteter Kartenformate und 2) für eine Eingabe von Start- und Zielkoordinaten, deren Eingabe vorzugsweise als Text-Datei oder mittels einer Benutzeroberfläche erfolgt, auf, sowie Ausgänge für 1) vorzugsweise georeferenzierte, parametrisierte oder nicht-parametrisierte Trajektorien, höchst vorzugsweise in Tabellenform, und 2) vorzugsweise georeferenzierte Konfidenzintervalle, höchst vorzugsweise in Tabellenform. Die Eingangsdaten werden vorzugsweise gespeichert bzw. auf die an Bord des Fluggeräts vorhandene Datenbank übertragen.
Bevorzugt beinhaltet gemäß einer noch anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems die an Bord des Fluggeräts befindliche Datenbank:

- Kartenmaterial der Mission;
- die genannten Parameter aus der Vorausplanung, insbesondere Trajektorien und Konfidenzintervalle;
- Manöverbibliotheken mit den o.g. betreffenden Merkmalen.
- Priorisierungsprotokolle mit den betreffenden o.g. Merkmalen.

Der Echtzeitalgorithmus kann bei entsprechender Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems den Zustandsautomaten umfassen bzw. zumindest teilweise von diesem verkörpert sein. Entsprechend kann an seinem Eingang der (unter anderem sensorisch erfasste) Systemzustand des Fluggeräts aus einer Systemüberwachung als Eingangssignal anliegen, während sein Ausgangssignal einen zugehörigen, ausgewählten Bahnplanungsmodus zur weiteren Berücksichtigung bei der Bahnplanung angibt.
Der eigentliche (Echtzeit-)Bahnplanungsalgorithmus, der bevorzugt auf einem Embedded-Computer an Bord des Fluggeräts ausgeführt wird, empfängt vorzugsweise folgende Eingänge bzw. Signale oder Parameter:

1. einen Zustandsvektor aus einer Zustandsschätzung (dieser Vektor basiert bevorzugt auf einer Sensordatenfusion aus Messdaten unterschiedlicher Sensoren des Fluggeräts und ggf. dessen Umgebung), anhand welcher Sensordaten modellbasiert ein physikalischer Zustand des Fluggeräts abschätzbar ist (z.B. können aus direkten Messwerten wie Druck, Temperatur, GPS-Daten, Drehrate und Beschleunigung abgeleitete Größen wie Lagewinkel etc. aus einer Modellvorhersage bestimmt werden);
2. die Referenzplanung aus der Datenbank (siehe oben);
3. die Manöverbibliothek(en) aus der Datenbank (siehe oben);
4. den vom Zustandsautomaten ermittelten oder ausgewählten Bahnplanungsmodus (siehe oben); und
5. die Manöverpriorisierung (Priorisierungsprotokoll) aus der Datenbank (siehe oben).

Als Ausgangsdatum wird vorzugsweise ein Bahnvektor (p,ṗ,p̈, $\overset{⃛}{p},$
,ψ,ψ̇,ψ̈) an eine Regelungs- und/oder Ansteuerungseinrichtung für betreffende Aktoren des Fluggeräts ausgegeben, durch die auf das Flugverhalten des Fluggeräts einwirkbar ist, wie z.B. Motoren, Leitwerke oder dgl. Dieser Vektor kann eine Positionsvorgabe p und deren zeitlichen Ableitungen (ṗ,p̈, $\overset{⃛}{p}$
) sowie - ohne Beschränkung - den Gierwinkel Psi (ψ) und dessen zeitlichen Ableitungen (ψ̇,ψ̈) oder andere zur Flugsteuerung verwendbare Größen beinhalten.
Im Zuge einer entsprechenden Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems kann demnach vorgesehen sein, dass die an Bord des Fluggerätes befindliche Recheneinheit und ein darauf ausgeführter Bahnplanungsalgorithmus Eingänge aufweist für

1. einen Zustandsvektor aus einer Zustandsbestimmung (oder -Schätzung), vorzugsweise modellbasiert gemäß anhand einer Sensordatenfusion aus Daten unterschiedlicher Sensoren des Fluggeräts;
2. Parameter aus der Datenbank;
3. Manöverbibliotheken aus der Datenbank;
4. ein Signal betreffend das Systemverhalten aus dem Zustandsautomaten;
5. die Priorisierungsprotokolle aus der Datenbank;

\overset{⃛}{p},

Folgende Begriffe sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung von Bedeutung und sollen nochmals kurz erläutert werden:

Die „Vorausplanungseinheit“ ist bevorzugt - jedoch ohne Beschränkung - ein sich am Boden befindlicher Rechner (eingebetteter Computer oder Anwender-PC), auf welchem ein Vorausplanungsalgorithmus ausgeführt wird. Der Standort dieses Rechners ist ausdrücklich nicht genauer definiert, da es sich sowohl um den Bordrechner des Fluggerätes (im Bodenstandfall) als auch einen externen Rechner in einer Bodenkontrollstation handeln kann, von welchem die vorgeplante Mission auf das Fluggerät übertragen werden kann.

Der „Zustandsautomat“ kann in Form einer Schaltlogik oder in Form eines (softwarebasierten) Algorithmus vorliegen; er löst bevorzugt in Abhängigkeit von zu definierenden (sensorisch durch das Fluggerät bzw. dessen Sensoren messbaren) Ereignissen unterschiedliche Systemverhalten aus, wobei er insbesondere zwischen vordefinierten Bahnplanungsmodi auswählt. Der Zustandsautomat befindet sich an Bord des Fluggerätes und wird dort während des Fluges ausgeführt oder betrieben. Als Eingang für den Zustandsautomaten dient bevorzugt ein Überwachungsalgorithmus bzw. ein umfassender Systemmonitor, der den jeweiligen Zustand des Systems „Fluggerät“ und dessen Umgebung (Temperatur, Windgeschwindigkeit, ... und ggf. externe Daten) aus Sensordaten ermittelt und ein entsprechendes Ergebnis (Signal) an den Zustandsautomaten ausgibt. Der Überwachungsalgorithmus/Systemmonitor als solcher ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.
Bei der „Echtzeit-Steuerungseinheit“ handelt es sich bevorzugt um einen sich an Bord des Fluggerätes befindlichen Rechner (embedded oder Anwender-PC), auf welchem ein Algorithmus zur Steuerung des Fluggerätes ausgeführt wird. Basierend auf den Ergebnissen der Vorausplanung und der Zustandsvorgabe des Zustandsautomaten wird auf der Echtzeit-Steuerungseinheit die eigentliche Flugbahn in Echtzeit berechnet und an den Flugregler (z.B. die oben erwähnte Regelungs- und/oder Ansteuerungseinrichtung) weitergeleitet.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.

1 zeigt schematisch eine bei der Bewegungs-Vorausplanung bestimmte Menge erreichbarer Flugbahnen;
2 zeigt exemplarisch ein Konfidenzintervall, in dem ein Fluggerät frei manövrieren kann;
3 zeigt Manöverbibliothek vorberechneter und kombinierbarer Manöver;
4 zeigt das Prinzip der Bahnvorplanung mit Konfidenzintervallen;
5 zeigt die Echtzeitplanung mit Konfidenzintervallen;
6 zeigt ein Blockschaltbild des beschriebenen Bahnplanungsverfahrens und eines entsprechenden Systems mit entsprechender Hardwareallokation; und
7 zeigt den Einsatz des Systems aus 6 bei einem Multikopter.

In 1 ist schematisch eine Referenztrajektorie RT dargestellt, die beim Durchführen der Bewegungs-Vorausplanung bestimmt wird. Außerdem ist bei Bezugszeichen EM eine Menge erreichbarer Flugbahnen dargestellt (sog. Erreichbarkeitsmenge). Bezugszeichen 1 bezeichnet ein VTOL-Fluggerät nach Art eines bevorzugt personentragenden, elektrisch angetriebenen Multikopters, z.B. des Volocopter® 2X aus dem Betrieb der Anmelderin. Bezugszeichen x und z bezeichnen (zwei) Raumrichtungen oder Raumkoordinaten. 1 entspricht größtenteils einer Karte, die Landeplatzinformationen, Gefahrenpotentiale, Luftraumstrukturen, etc. in einer erweiterten 3D-Karte eines Fluggebietes FG bereitgestellt, welche als Grundlage des Bahnplanungsverfahrens dient. Bei Bezugszeichen 2 sind Hindernisse, also exemplarische Gefahrenpotentiale für das Fluggerät 1 gezeigt, beispielsweise Häuser, die bei entsprechenden Werten von x und z verortet sind. Bezugszeichen RT bezeichnet die im Rahmen der Vorausplanung bestimmte Referenztrajektorie; die Fläche bzw. das Volumen EM (Einhüllende möglicher Flugrouten) beschreibt eine begrenzte Menge möglicher auftretender Abweichungen von der kommandierten Bahn bzw. der Referenztrajektorie RT, welche Abweichungen sich z.B. durch externe Störeinflüsse oder eine unzureichende Auflösung von Steuer-/Regelgrößen des Fluggeräts 1 ergeben können. Die Vorausplanung schließt deshalb bevorzugt neben den bereits erwähnten Landeplatzinformationen, Gefahrenpotentialen, Luftraumstrukturen, etc. noch weitere Einflussgrößen, wie beschränkte Störeinwirkungen während des Nominalbetriebs (z.B. maximale Wind- und Böenstärke), Flugleistungsparameter (z.B. Dynamik und Kinematik) des Fluggeräts 1 und die Modellgüte (d.h. eine Abweichung zwischen Modell und einem beobachtete Flugverhalten) mit ein. Daraus ergibt sich die gezeigte Fläche FE, die eine geschlossene Menge durch das Fluggerät 1 erreichbarer Flugbahnen darstellt, vorzugsweise eine konservativ abgeschätzte Vereinigungsmenge aller durch das Fluggerät 1 theoretisch erreichbarer Flugbahnen (Erreichbarkeitsmenge). Die entsprechende Information wird geeignet datentechnisch aufbereitet und für eine spätere Verwendung gespeichert.
2 zeigt bei Bezugszeichen 3 ein Konfidenzintervall mit einem darin befindlichen Fluggerät, beispielsweise dem Fluggerät 1 gemäß 1. Das Fluggerät kann in dem Konfidenzintervall 3 frei manövrieren, kann das Konfidenzintervall jedoch nur an definierten Punkten P1, P2 befliegen (hineinfliegen) oder verlassen. Mit anderen Worten: Die Konfidenzintervalle 3 geben jeweils ein räumliches, geographisches Volumen an, in welchem das Fluggerät 1 auch ohne eine vorgeplante Bahn (frei) manövrieren darf, während es das Volumen jedoch nicht oder nur an vordefinierten Stellen P1, P2 verlassen kann bzw. darf. Auch diese entsprechende Information, insbesondere die Lage und/oder Größe der Konfidenzintervalle 3 wird geeignet datentechnisch aufbereitet und für eine spätere Verwendung gespeichert. Die Konfidenzintervalle 3 sind vorzugsweise jeweils mit wenigstens einer bestimmten Eigenschaft verknüpft, wobei höchst vorzugsweise jedem Konfidenzintervall 3 entsprechend seiner Eigenschaft oder Funktion eine Teilmenge einer Manöverbibliothek (siehe unten, 3) zugewiesen wird. Höchst vorzugsweise ist dabei innerhalb eines Konfidenzintervalls 3 die Manöverausführung strikt priorisiert ist (z.B. nach Maßgabe durch ein Priorisierungsprotokoll), und Funktionen innerhalb eines Konfidenzintervalls können superpositionierbar sein. Es kann an dieser Stelle ergänzend auf die Definition des Begriffs „Funktion“ im allgemeinen Teil verwiesen werde,.
3 zeigt schematisch eine graphische Darstellung einer Manöverbibliothek mit vorberechneten und kombinierbaren (Flug-)Manövern des Fluggeräts 1. Die Koordinaten x und y geben zwei mögliche Raumrichtungen innerhalb eines Fluggebiets FG' an. Für die Bahnplanung werden Manöverbibliotheken (d.h. eine endliche Menge möglicher Flugbahnen F1, F2, F3,... zur Bahnplanung; aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle bezeichnet) unter Berücksichtigung der Erreichbarkeitsmenge (EM, vgl. 1) bereitgestellt. Dadurch wird, in Verbindung mit einer strikten Priorisierung (z.B. Flugbahn F1 hat eine höhere Priorität als Flugbahn F2, welche wiederum eine höhere Priorität als Flugbahn F3 hat) eine quasi-deterministische Vorausplanung über quasi-diskrete Zustände bei Eingrenzung der Anzahl berücksichtigter Flugmanöver ermöglicht. Bei der Echtzeit-Flugsteuerung ist entsprechend die Anzahl zu berücksichtigender Flugmanöver F1, F2, F3,... auf die Manöverbibliotheken beschränkt. Die Manöverbibliotheken werden in einer Datenbank an Bord des Fluggeräts 1 vorgehalten, unter Berücksichtigung unterschiedlicher Performance-Zustände des Fluggeräts 1 (z.B. Nominalzustand, Ausfallszenarien, Umgebungsbedingungen).
4 zeigt das Prinzip der Bahnvorplanung für einen Flug von A nach B mit Konfidenzintervallen 3.1-3.5: Eine geplante Flugbahn oder Referenztrajektorie RT wird um Notfalltrajektorien N1, N2, N3,... (nur wenige explizit bezeichnet) zu Notfalllandeplätzen ELS_i, i=1, 2,... und um die Konfidenzintervalle 3.1-3.5 erweitert, welche Konfidenzintervalle 3.1-3.5 nicht lückenlos entlang der Referenztrajektorie RT angeordnet sein müssen. In der Vertikalen (unterer Teil von 4) sind Flugebenen FL₁, FL₀, FL_-1 definiert. In einem gegebenen Konfidenzintervall 3.1-3.5 (wenn also das Fluggerät 1 sich in einem solchen befindet) plant die Echtzeit-Steuerung des Fluggeräts 1 innerhalb der bestehenden Rahmenbedingungen frei in der horizontalen Ebene (oberer Teil von 4) und kann zusätzlich die Flugebenen FL₁, FL₀, FL_-1 in der Vertikalen unter Beachtung etwaiger Priorisierungen, z.B. Steigen (FL_-1 nach FL₀ oder FL₀ nach FL₁) vor Sinken (FL₁ nach FL₀ oder FL₀ nach FL_-1) wechsein. Die Mission kann in verschiedene Bereiche oder Abschnitte unterteilt sein, z.B. Start (Take-Off), Normalflug (nicht bezeichnet) und Landung (Landing), wie dargestellt.
5 zeigt schematisch die Echtzeitplanung einer Flugbahn mit Konfidenzintervallen 3.1, 3.2: Der Echtzeitplaner (Echtzeit-Steuerung; nicht gezeigt) bzw. das damit ausgestattete Fluggerät 1 kann zum maßgeblichen Zeitpunkt t (nicht bezeichnet) eines der beiden Konfidenzintervalle 3.1, 3.2 oder die eingezeichnete (gerade) Referenztrajektorie RT befliegen. Der Zustandsautomat (hier nicht gezeigt) an Bord des Fluggeräts 1 wählt aufgrund eines erkannten Hindernisses 2 das Konfidenzintervall 2 (Bezugszeichen 3.2) mit der zugeordneten Funktion bzw. Vorgabe „hartes Ausweichen“, was einem Bahnplanungsmodus entspricht. Innerhalb des Konfidenzintervalls 3.2 umfliegt der Volocopter (das Fluggerät 1) entsprechend das Hindernis 2 mittels zugeordneter (zulässiger) Manöver und kehrt dann auf die Referenzbahn (Referenztrajektorie RT) zurück. Im vorliegenden Fall vollzieht das Fluggerät 1 ein horizontales Ausweichmanöver (auf der in Echtzeit geplanten Flugbahn AM). Dies kann laut Priorisierungsprotokoll bedeuten, dass die Gefahr bzw. das Hindernis 2 zu spät erkannt wurde, um das Fluggerät 1 noch auf der Referenztrajektorie RT sicher zu verzögern (was höher priorisiert gewesen wäre), und dass der vertikale Raum (höhere oder niedrigere Flugebenen, vgl. 4) blockiert ist/war, sodass eigentlich bevorzugte Manöver, z.B. Steigen auf eine andere Flugebene (vgl. 4), nicht ausgeführt werden konnten.
6 zeigt ein Blockschaltbild des beschriebenen Bahnplanungsverfahrens mit entsprechender Hardwareallokation. Der Detailgrad und Umfang der Vorausplanung ist variabel.
Das Blockschaltbild in 6 zeigt speziell ein System 10 zur Bewegungsplanung für Fluggeräte 1 (vgl. 1 bis 5), insbesondere für elektrisch angetriebene, last- und/oder personentragende Multikopter. Das System 10 umfasst eine Bewegungs-Vorausplanungseinheit 11, die dazu ausgebildet und bestimmt ist, mittels einer nicht näher gezeigten Recheneinheit am Boden oder an Bord eines betreffenden Fluggeräts 1 einen Vorausplanungsalgorithmus 12 auszuführen, durch den eine Referenztrajektorie RT (vgl. z.B. 4 oder 5) bestimmbar ist. Das System 10 umfasst in der Vorausplanungseinheit 11 eine als Zwischenspeicher 13 bezeichnete Speichereinheit, in der Parameter der Referenztrajektorie und Parameter betreffend ein zulässiges Abweichen des Fluggeräts von der Referenztrajektorie nach Maßgabe durch die Bewegungs-Vorausplanungseinheit 11 gespeichert oder speicherbar sind. Der Vorausplanungsalgorithmus 12 basiert neben der Erreichbarkeitsmenge (vgl. Bezugszeichen EM in 1) auf Karten und Metadaten 15, den Flugenvelopen (also den flugmechanischen Betriebsgrenzen eines jeweiligen Flugzeugtyps; es darf auf die Definition im einleitenden Teil verwiesen werden) sowie Start/Ziel-Koordinaten 16 und beinhaltet Kriterien zur Bahnoptimierung 14, z.B. im Hinblick auf Flugzeit oder Energieeffizienz, unter Hinzuziehung von Konfidenzintervallen 3.i und Notfalltrajektorien Ni, i=1, 2,... (vgl. z.B. 4). Daraus ergibt sich eine komplette Missionsvorplanung 17, deren Parameter (wie erwähnt) in der Speichereinheit 13 gespeichert werden.
Eine Echtzeit-Steuerungseinheit 18 an Bord des Fluggeräts 1 ist für eine Echtzeit-Bewegungsplanung des Fluggeräts 1 unter Verwendung der genannten Parameter aus dem (Zwischen-)Speicher 13 eingerichtet, die ggf. vor dem Start an das Fluggerät 1 übertragen und dort in einer Missionsdatenbank 19 gespeichert werden/wurden. Diese Missionsdatenbank 19 umfasst entsprechend die komplette Missionsvorplanung 17 zuzüglich Manöverbibliothek(en) 20 (vgl. 3), Priorisierungsprotokoll(en) 21 und die erwähnten Karten und Metadaten 15 (Übertragung nach erfolgter externer Freigabe der Missionsvorplanung). Des Weiteren führt die Echtzeit-Steuerungseinheit 18 einen Echtzeit-Algorithmus 18a aus, durch den ein Zustandsautomat 22, eine Ansteuerungseinrichtung in Form eines Manöverautomaten 23 und ein Bahnfolgeregler 24 definiert sind. Der Zustandsautomat 22 wirkt mit einem Systemmonitor 26 zusammen, der einen (System-)Zustand des Fluggeräts 1 anhand von Sensor-Messdaten sowie system-internem und externem Datenverkehr (nicht dargestellt) bestimmt, indem er vorzugsweise alle verfügbaren Daten bzw. Informationen über das Fluggerät 1 erfasst. Der Manöverautomat 23 erhält von dem Zustandsautomaten 22 Informationen hinsichtlich eines vorzugsweise vordefinierten Bahnplanungsmodus, den der Zustandsautomat 22 anhand des vom Systemmonitor 26 mitgeteilten Systemzustands ausgewählt hat. Als Bahnplanungsmodus kommen z.B. „nominal“, „Planung mit eingeschränkter Systemleistung“, „Land-as-soon-as-practical/possible“, „sicherheitsoptimierte Planung“ oder dgl. in Betracht, was mit einem entsprechenden Systemzustand korreliert sein kann: Exemplarische mögliche Systemzustände sind: „nominal“, (unterschiedliche) Notfälle (z.B. „Batterieschaden“, „Motorausfall“, „Navigationsausfall“, „leicht eingeschränkte Systemleistung“, etc.) oder sog. „Contingency Zustände“ (z.B. Priorisierung von militärischem Flugverkehr). Davon zu unterscheiden sind die weiter oben definierten Konfidenzintervallfunktionen, wie Ausweichen, sofortiges Notlanden, Warten, etc. Ein Bahnplanungsmodus kann mit ihm jeweils zugeordneten Manövern (aus der/den Manöverbibliothek/en 20 (vgl. 3) und/oder mit entsprechenden Priorisierungsprotokoll(en) 21 verknüpft sein. Allgemein ermittelt der Zustandsautomat 22 einen Zustand (des Fluggeräts 1) und wählt wenigstens eine zugehörige Aktion (Bahnplanungsmodus) aus. Der Manöverautomat 23 bestimmt dann die Flugbahn (Trajektorie) in Echtzeit anhand einer Zustandsschätzung 27 auf Grundlage der Informationen 17, 20, 21 aus der Missionsdatenbank 19 und anhand des bekannten Systemzustands auf der Grundlage eines physikalischen Modells des Fluggeräts 1. So können z.B. aus direkt gemessenen Größen, wie Druck, Temperatur oder Drehrate, steuerungsrelevante Parameter, wie Lagewinkel, abgeleitet werden. Der Manöverautomat 23 stellt diese Trajektorie in einem geeigneten datentechnischen Format für den Bahnfolgeregler 24 bereit, der entsprechend die Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen 25 des Fluggeräts 1 mittels aus der Echtzeit-Bewegungsplanung abgeleiteten Steuer-/Regelsignalen S/R ansteuert (Bahnvektor (p,ṗ,p̈, $\overset{⃛}{p}$
ψ,ψ̇,ψ̈)), um ein physikalisches Flugverhalten des Fluggeräts 1 zu beeinflussen.
In dem gezeigten System 10 kann die Bewegungs-Vorausplanungseinheit 11 als Embedded-System oder als Anwender-PC ausgebildet sein, wobei im Falle einer bezüglich des Fluggeräts 1 externen Recheneinheit die genannten Parameter einer vorgeplanten Mission 17 auf das Fluggerät 1 bzw. die Missionsdatenbank 19 übertragbar sind.
In dem gezeigten System 10 ist die Echtzeit-Steuerungseinheit 18 als sich an Bord des Fluggerätes befindliche Recheneinheit, insbesondere ein Embedded-System oder ein Anwender-PC, ausgebildet, auf welchem der beschriebene Algorithmus 18a für die Echtzeit-Bewegungsplanung des Fluggeräts 1 eingerichtet und ausgeführt oder ausführbar ist.
Bei dem gezeigten System 10 wirkt die Echtzeit-Steuerungseinheit 18 mit der Speichereinheit (Missionsdatenbank 19) und dem Zustandsautomaten 22 zusammen, um basierend auf den in der Missionsdatenbank 19 gespeicherten Parametern und dem vom Zustandsautomaten 22 ausgelösten Systemverhalten (Bahnplanungsmodus) eine tatsächliche Flugbahn (Trajektorie) zu berechnen und entsprechende Steuer-/Regelsignale S/R an die Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen 25 des Fluggeräts 1 auszugeben.
7 verdeutlicht abschließend exemplarisch den Einsatz des Systems aus 6 bei einem Multikopter vom Typ Volocopter® 2X, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle Komponenten aus 6 erneut dargestellt sind. Die Echtzeit-Steuerungseinheit 18, die den Algorithmus 18a für die Echtzeit-Bewegungsplanung des Fluggeräts 1 ausführt, befindet sich an Bord des Fluggeräts 1. Die Echtzeit-Steuerungseinheit 18 wirkt über die Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen 25 des Fluggeräts 1 steuernd bzw. regelnd ein auf einen exemplarisch angegebenen (Antriebs-)Motor 100 des Fluggeräts 1 (in der Praxis bevorzugt auf alle Motoren des Fluggeräts 1 und ggf. auf zusätzlichen Steuereinrichtungen, wie Leitwerke oder dgl.), welcher Motor 100 zum Antreiben eines Rotors oder Propellers 101 vorgesehen ist. Auf diese Weise kann das Flugverhalten des Fluggeräts 1 im Sinne einer Echtzeit-Bahnplanung beeinflusst werden.

Claims

Verfahren zur Bewegungsplanung für Fluggeräte (1), insbesondere für last- und/oder personentragende, vorzugsweise verteilt elektrisch angetriebene VTOL-Fluggeräte, beinhaltend: eine Bewegungs-Vorausplanung mittels einer Recheneinheit am Boden oder an Bord eines betreffenden Fluggeräts (1) mit Bestimmung einer Referenztrajektorie (RT), Vorausplanung von Notfalltrajektorien (Ni), insbesondere Notlandetrajektorien (N1, N2,...), in vorzugsweise regelmäßigen Intervallen entlang der Referenztrajektorie (RT) und einer Definition von Konfidenzintervallen (3.1-3.5) entlang der Referenztrajektorie (RT), welche Konfidenzintervalle (3.1-3.5) jeweils ein Raumvolumen angeben, in welchem das Fluggerät (1) ohne vorgeplante Bahn manövrieren, welches das Fluggerät (1) jedoch nicht oder nur an vordefinierten Stellen (P1, P2) verlassen kann; ein Speichern von Parametern der Referenztrajektorie (RT) und Parametern betreffend ein zulässiges Abweichen des Fluggeräts (1) von der Referenztrajektorie (RT) sowie der Konfidenzintervalle (3.1-3.5) in einer Datenbank (19) an Bord des Fluggeräts (1); eine Echtzeit-Bewegungsplanung an Bord des Fluggeräts (1) unter Verwendung der genannten Parameter und der Konfidenzintervalle (3.1-3.5) sowie sensorisch erfasster oder von extern bereitgestellter Umgebungs- und Systemdaten des Fluggeräts, aus welchen Umgebungs- und Systemdaten ein Systemzustand des Fluggeräts (1) ableitbar ist; und ein Ansteuern von Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen (25) des Fluggeräts (1) mittels aus der Echtzeit-Bewegungsplanung abgeleiteten Steuer-/Regelsignalen (S/R); bei dem Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen (25) des Fluggeräts (1) derart angesteuert werden, dass das Fluggerät (1) entweder a) entlang der Referenztrajektorie (RT) oder b) bei gegebener oder erforderlicher Abweichung von der Referenztrajektorie (RT) entlang einer Echtzeit-Trajektorie innerhalb eines Konfidenzintervalls (3.1-3.5) oder entlang einer Notfalltrajektorie bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor einem Flug oder einer Mission die Bewegungs-Vorausplanung durchgeführt wird, um ein Vorausplanungsergebnis (17) zu erhalten, unter Berücksichtigung einer maximalen Abweichung von der Referenztrajektorie und einer Vorgabe strenger Priorisierungsprotokolle (21) zum Erreichen einer Echtzeitausführbarkeit mit quasi-deterministischem Verhalten auf einer Recheneinheit (18), entweder einer bodengestützten Recheneinheit oder einer Recheneinheit (18) an Bord des Fluggeräts (1), und bei dem das Vorausplanungsergebnis (17) unter Berücksichtigung der maximalen Abweichung von der Referenztrajektorie und der Konfidenzintervalle(3.1-3.5) sowie die Priorisierungsprotokolle (21) in der Datenbank (19) gespeichert werden, bei dem ein Zustandsautomat (22) an Bord des Fluggeräts (1) auf Basis eines aktuellen Umgebungs- und Systemzustandes, der anhand von Sensordaten von an Bord des Fluggeräts (1) befindlichen Sensoren und externen Daten ermittelt wird, einen zu einem gegebenen Zeitpunkt während des Flugs zulässigen Bahnplanungsmodus ermittelt, mit dem zu jeder Zeit entweder der Flug durch Erreichen eines Zielortes (B) des Fluggeräts (1) abgeschlossen werden oder sicher vorzeitig beendet werden kann, insbesondere durch eine sichere Notlandung oder durch Erreichen eines Ausweichziels, wobei während des Fluges die Bewegungsplanung in Echtzeit automatisiert durch die Recheneinheit (18) an Bord des Fluggeräts (1) nach dem ermittelten Bahnplanungsmodus unter Berücksichtigung einer Menge erreichbarer Zustände oder Flugbahnen und strikter Priorisierung von vordefinierten Manövertypen anhand der Priorisierungsprotokolle (21) bei Einhaltung der definierten Konfidenzintervalle (3.1-3.5) und vorgegebener Flugebenen (FL_-1, FL₀, FL₁) erfolgt und ein Ergebnis dieser Echtzeit-Bewegungsplanung steuerungstechnisch für eine Echtzeit-Flugsteuerung des Fluggeräts (1) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem vor einem Flug oder einer Mission die Vereinigungsmenge aller zulässigen Flugbahnen bestimmt und validiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Anzahl berücksichtigter Flugmanöver während der Echtzeit-Flugsteuerung durch Beschränkung auf Manöverbibliotheken (20) begrenzt ist, die eine endliche Menge möglicher Flugbahnen oder Flugbahnabschnitte zur Bahnplanung umfassen, welche Manöverbibliotheken (20) in einer Datenbank (19) an Bord des Fluggeräts (1) vorgehalten werden, wobei die Manöverbibliotheken (20) vorzugsweise vordefinierte Steuer-/Regelsignale (S/R) für Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen (25) des Fluggeräts (1) umfassen, beispielweise in Form von Lookup-Tabellen, und höchst vorzugsweise durch Ausnutzung von Symmetrien und Superposition speicheroptimiert in der Datenbank (19) gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem jede Manöverbibliothek (20) an einen Fluggerätetyp angepasst ist, sodass alle aus ihren abgeleiteten Flugbahnen für alle Fluggeräte (1) desselben Typs nutzbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem vor Abflug eine Karte, vorzugsweise eine erweiterte 3D-Karte, des betreffenden Fluggebietes bereitgestellt wird, welche insbesondere Landeplatzinformation, Gefahrenpotentiale (2), Luftraumstrukturen, etc. umfasst und welche als Grundlage des Bahnplanungsverfahrens dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei Rückbezug auf Anspruch 2 oder 3, bei dem zur Bestimmung der maximalen Abweichung von der Referenztrajektorie (RT) wenigstens eine der folgenden Einflussgrößen berücksichtigt: - externe Störeinwirkungen auf das Fluggerät (1) während des Nominalbetriebs; - Flugleistungsparameter des Fluggeräts (1); - eine Modellgüte der Bewegungs-Vorausplanung; welche Analyse eine Vereinigungsmenge aller möglichen Flugbahnen ergibt, die ausgehend von der Referenztrajektorie (RT) aus einer zulässigen Betätigung der Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen (25) des Fluggeräts (1) resultieren können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem wenigstens einem Konfidenzintervall (3.1-3.5), vorzugsweise jedem Konfidenzintervall (3.1-3.5), entsprechend einer zugeordneten Funktion eine Teilmenge der Manöverbibliothek (20) mit den betreffenden Merkmalen gemäß Anspruch 4 oder 5 zugewiesen wird, wobei die Manöverausführung strikt priorisiert ist, insbesondere innerhalb eines Konfidenzintervalls (3.1-3.5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem vor einem Flug vorzugsweise nacheinander folgende Schritte ausgeführt werden: a. Identifikation von Notlandeplätzen auf einer Karte, insbesondere der Karte gemäß Anspruch 6, und bevorzugt deren Klassifizierung nach Kriterien; b. Vorausplanung einer optimierten Referenztrajektorie (RT) auf der Recheneinheit (11); c. Vorausplanung der Notfalltrajektorien (Ni), insbesondere Notlandetrajektorien (Ni), in regelmäßigen Intervallen entlang der Referenztrajektorie (RT) auf der Recheneinheit (11); d. Definition und Zuweisung von Konfidenzintervallen (3.1-3.5) zumindest entlang der vorgeplanten Referenztrajektorie (RT), ggf. einschließlich der Notfalltrajektorien (Ni); deren Ergebnisse in einer Datenbank (19) an Bord des Fluggerätes (1) gespeichert und während des Fluges zwecks Verwendung bei der Echtzeit-Bewegungsplanung mitgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 bei Rückbezug auf Anspruch 2, bei dem während der Echtzeit-Bewegungsplanung eine tatsächliche Flugbahn, insbesondere entlang der Referenztrajektorie (RT) und innerhalb der Konfidenzintervalle (3.1-3.5), durch die Recheneinheit (18) an Bord des Fluggeräts (1) bestimmt wird, beinhaltend: i. Update des Bahnplanungsmodus durch den Zustandsautomaten (22); ii. Update eines aktuell zu befliegenden Konfidenzintervalls (3.1-3.5) anhand des Systemzustands; iii. Update der berechneten Flugbahn aus einem vorherigem Zeitschritt unter Berücksichtigung von Konfidenzintervalleigenschaften und des Priorisierungsprotokolls (21) durch beispielsweise eine modellbasierte Planungsmethode mit beschränktem Zeithorizont, oder eine Spline-basierte Planungsmethode unter Verwendung von Polynomen und Wegpunkten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bei Rückbezug auf Anspruch 6, bei dem unterschiedliche Datenschichten der Karte zu einem abstrakten Gefahrenpotential vereinigt werden, welches eine Dichte unerwünschter Einflüsse auf das Fluggerät (1) und dessen Mission in Abhängigkeit von einem Ort (x, y, z) repräsentiert, so dass eine gewichtete Kostenfunktion aus diesem Gefahrenpotential, einer Anzahl und Art erreichbarer Notlandeplätze sowie einer energetischen Effizienz für die Optimierung einer vorgeplanten Flugroute zwischen Start (A)- und Endpunkt (B) heranziehbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Konfidenzintervalle (3.1-3.5) mit Angaben zu ihrer Funktion, Position und/oder Ausdehnung in der Datenbank (19) abgelegt werden, wobei vorzugsweise für jedes Konfidenzintervall (3.1-3.5) ein Verbleiben innerhalb zugehöriger Intervallgrenzen algorithmisch sichergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die vorgeplante Flugroute als Referenztrajektorie (RT) während des Fluges dient, während im Flug die tatsächliche Flugbahn mittels einer Optimierungsmethode und eines Echtzeitalgorithmus im Rahmen der Echtzeit-Bewegungsplanung durch eine Recheneinheit (18) an Bord des Fluggeräts (1) berechnet wird, welche tatsächliche Flugbahn zumindest zeitweise durch Aneinanderreihen von Manövern aus der Manöverbibliothek (20) mit den betreffenden Merkmalen gemäß Anspruch 4 in jedem Zeitschritt eine der Referenztrajektorie (RT) folgende Flugbahn mit einem beschränkten Zeithorizont generiert.
Verfahren nach Anspruch 13 bei Rückbezug auf Anspruch 2, bei dem der Echtzeitalgorithmus mit dem Zustandsautomaten (22) zusammenwirkt, der aus dem momentanen Systemzustand den Bahnplanungsmodus bestimmt, wobei vorzugsweise der Echtzeitalgorithmus zu jedem Zeitschritt zwischen einer endlichen Anzahl diskreter Bahnplanungsmodi auswählt, von denen jeder jeweils mit der vorgeplanten Flugroute, einer Notfalltrajektorie, vorzugsweise einer Notlandetrajektorie (N1, N2,...), oder einem Konfidenzintervall (3.1-3.5) und zugehöriger Manöverteilmenge mit den betreffenden Merkmalen gemäß Anspruch 8 korrespondiert.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Generieren der Flugbahn einem Priorisierungsprotokoll (21) insbesondere mit den betreffenden Merkmalen gemäß Anspruch 2 folgt, welches eine Manöverabfolge in Abhängigkeit von verfügbaren Möglichkeiten regelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die gesamte Bewegungsplanung in verschiedene Abschnitte, insbesondere Start, Normalflug und Landung, unterteilt wird, wobei vorzugsweise für wenigstens einige Abschnitte unterschiedliche Priorisierungsprotokolle (21) insbesondere mit den betreffenden Merkmalen gemäß Anspruch 2 und Teilmengen der Manöverbibliothek (20) mit den betreffenden Merkmalen gemäß Anspruch 4 definiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, welches Verfahren zu variablen Teilen am Boden und während des Fluges an Bord des Fluggeräts (1) ausgeführt wird, wobei Ausführungsort des am Boden ausgeführten Anteils die Recheneinheit (18) an Bord des Fluggerätes (1) während des Aufenthalts am Boden oder eine externe Recheneinheit (11) ist, von welcher externen Recheneinheit (11) in einem Zwischenschritt die Ergebnisse der Vorausplanung (17) vor Start auf das Fluggerät (1) übertragen werden, während der beim Flug ausgeführte Anteil an Bord des Fluggeräts (1) auf der dortigen Recheneinheit (18) ausgeführt wird, wobei vorzugsweise der betreffende Algorithmus (18a) derart ausgestaltet ist, dass er sowohl auf einem Rechner (18) mit Anwenderbetriebssystem als auch auf Embedded-Systemen ausführbar ist.
System (10) zur Bewegungsplanung für Fluggeräte (1), insbesondere für last- und/oder personentragende, vorzugsweise verteilt elektrisch angetriebene VTOL-Fluggeräte, umfassend: eine Bewegungs-Vorausplanungseinheit (11), die dazu ausgebildet und bestimmt ist, mittels einer Recheneinheit am Boden oder an Bord eines betreffenden Fluggeräts (1) einen Vorausplanungsalgorithmus (12) auszuführen, durch den eine Referenztrajektorie (RT), Notfalltrajektorien (Ni), insbesondere Notlandetrajektorien (N1, N2,...), in vorzugsweise regelmäßigen Intervallen entlang der Referenztrajektorie (RT) und Konfidenzintervallen (3.1-3.5) entlang der Referenztrajektorie (RT) bestimmbar sind, welche Konfidenzintervalle (3.1-3.5) jeweils ein Raumvolumen angeben, in welchem das Fluggerät (1) ohne vorgeplante Bahn manövrieren, welches das Fluggerät (1) jedoch nicht oder nur an vordefinierten Stellen (P1, P2) verlassen kann; eine Speichereinheit, in der Parameter der Referenztrajektorie (RT), Parameter der Konfidenzintervalle (3.1-3.5) und Parameter betreffend ein zulässiges Abweichen des Fluggeräts (1) von der Referenztrajektorie (RT) in einer Datenbank (19) an Bord des Fluggeräts (1) nach Maßgabe durch die Bewegungs-Vorausplanungseinheit (11) gespeichert oder speicherbar sind; eine Echtzeit-Steuerungseinheit (18) an Bord des Fluggeräts (1), die für eine Echtzeit-Bewegungsplanung des Fluggeräts (1) unter Verwendung der genannten Parameter und der Konfidenzintervalle (3.1-3.5) sowie durch eine Anzahl von Sensoren erfasster oder von extern bereitgestellter Umgebungs-und Systemdaten des Fluggeräts (1) ausgebildet und bestimmt ist; und eine Ansteuerungseinrichtung (23), die zum Ansteuern von Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen (24, 25) des Fluggeräts (1) mittels aus der Echtzeit-Bewegungsplanung abgeleiteten Steuer-/Regelsignalen (S/R) ausgebildet und bestimmt ist, wobei die Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen (25) des Fluggeräts (1) derart angesteuert oder ansteuerbar sind, dass das Fluggerät (1) entweder a) entlang der Referenztrajektorie (RT) oder b) bei gegebener oder erforderlicher Abweichung von der Referenztrajektorie (RT) entlang einer Echtzeit-Trajektorie innerhalb eines Konfidenzintervalls (3.1-3.5) oder entlang einer Notfalltrajektorie bewegt oder bewegbar ist.
System (10) nach Anspruch 18, bei dem die Bewegungs-Vorausplanungseinheit (11) als Embedded-System oder als Anwender-PC ausgebildet ist, wobei im Falle einer bezüglich des Fluggeräts (1) externen Recheneinheit (11) die genannten Parameter einer vorgeplanten Mission (17) auf das Fluggerät (1) übertragbar sind.
System (10) nach Anspruch 18 oder 19, welches zusätzlich einen Zustandsautomaten (22) an Bord des Fluggeräts (1) umfasst, der vorzugsweise als ein Algorithmus ausgebildet ist und der in Abhängigkeit von den Sensoren erfasster Systemdaten des Fluggeräts (1) unterschiedliche Systemverhalten auslöst, wobei der Zustandsautomat (22) an Bord des Fluggerätes (1) und während des Fluges ausgeführt oder ausführbar ist.
System (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Echtzeit-Steuerungseinheit (18) als sich an Bord des Fluggerätes (1) befindliche Recheneinheit, insbesondere ein Embedded-System oder ein Anwender-PC, ausgebildet ist, auf welchem ein Algorithmus (18a) für eine Echtzeit-Bewegungsplanung des Fluggeräts (1) eingerichtet und ausgeführt oder ausführbar ist.
System (10) nach Anspruch 20 und 21, bei dem die Echtzeit-Steuerungseinheit (18) mit der Datenbank (19) und dem Zustandsautomaten (22) zusammenwirkt, um basierend auf den gespeicherten Parametern und dem von dem Zustandsautomaten (22) ausgelösten Systemverhalten eine tatsächliche Flugbahn zu berechnen und entsprechende Steuer-/Regelsignale (S/R) an die Flug-Steuer-/Regeleinrichtungen (24, 25) des Fluggeräts (1) auszugeben.
System (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei dem die Bewegungs-Vorausplanungseinheit (11) und ein darauf ausgeführter Vorplanungsalgorithmus Eingänge 1) für Kartenmaterial und entsprechende Kartendaten (15) in Form verbreiteter Kartenformate und 2) für eine Eingabe von Start- und Zielkoordinaten (16), deren Eingabe vorzugsweise als Text-Datei oder mittels einer Benutzeroberfläche erfolgt, aufweist, sowie Ausgänge für 1) vorzugsweise georeferenzierte, parametrisierte oder nicht-parametrisierte Trajektorien, höchst vorzugsweise in Tabellenform, und 2) vorzugsweise georeferenzierte Konfidenzintervalle, höchst vorzugsweise in Tabellenform.
System (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem die an Bord des Fluggeräts (1) befindliche Datenbank (19) beinhaltet: - Kartenmaterial (15) der Mission; - die genannten Parameter aus der Vorausplanung (17), insbesondere Trajektorien (RT) und Konfidenzintervalle (3.1-3.5); - Manöverbibliotheken (20) mit den betreffenden Merkmalen aus Anspruch 4 oder 5. - Priorisierungsprotokolle (21) mit den betreffenden Merkmalen aus Anspruch 2.
System (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 24, bei dem die an Bord des Fluggerätes (1) befindliche Recheneinheit (18) und ein darauf ausgeführter Bahnplanungsalgorithmus (18a) Eingänge aufweist für 1) einen Zustandsvektor aus einer Zustandsbestimmung, vorzugsweise einer Zustandsschätzung anhand einer Sensordatenfusion aus Daten unterschiedlicher Sensoren des Fluggeräts (1), woraus der Zustandsvektor mittels einer Modellvorhersage abschätzbar ist; 2) Parameter aus der Datenbank (19); 3) Manöverbibliotheken (20) aus der Datenbank (19) gemäß Anspruch 24; 4) ein Signal betreffend das Systemverhalten aus dem Zustandsautomaten (22) gemäß Anspruch 20; 5) die Priorisierungsprotokolle (21) aus der Datenbank (19) gemäß Anspruch 24; sowie einen Ausgang für einen Bahnvektor (p,ṗ,p̈, $\overset{⃛}{p},$
ψ,ψ̇,ψ̈) an die Regelungs- und/oder Ansteuerungseinrichtung (24, 25), insbesondere einen Bahnvektor mit einer Positionsvorgabe p und deren zeitlichen Ableitungen sowie dem Gierwinkel ,ψ und dessen zeitlichen Ableitungen.
Fluggerät (1), insbesondere VTOL-Fluggerät, vorzugsweise in Form eines verteilt elektrisch angetriebenen, senkrecht startenden und landenden, last- und/oder personentragenden Multikopters, mit den an Bord des Fluggeräts (1) befindlichen Komponenten oder Merkmalen nach einem der Ansprüche 18 bis 25, insbesondere: optional der Bewegungs-Vorausplanungseinheit (11); der Speichereinheit mit Datenbank (19); der Echtzeit-Steuerungseinheit (18); der Ansteuerungseinrichtung (23); und einen Systemmonitor, der dazu ausgebildet und bestimmt ist, verfügbare Daten über das Fluggerät zu erfassen und bereitzustellen.