DE102020123062A1

DE102020123062A1 - Verfahren zur Signalauswahl und Signalauswahlvorrichtung

Info

Publication number: DE102020123062A1
Application number: DE102020123062.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Ortlieb; Florian-Michael Adolf
Original assignee: Volocopter GmbH
Current assignee: Volocopter GmbH
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2022-03-03
Also published as: CN114141059A; US20220066474A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Signalauswahl für ein Flugsystem mit einem Fluggerät, und einer Signalauswahlvorrichtung (2), wobei die Signalauswahlvorrichtung (2) ein erstes Steuersignal (3, 5, 7, 9) und ein zweites Steuersignal (3, 5, 7, 9) empfängt, wobei zumindest das erste oder das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9) von einer Fernsteuereingabe (9) eines Piloten und/oder eines Autopiloten abhängig ist, und mittels einer Analyselogik (16) für das erste Steuersignal (3, 5, 7, 9) eine erste Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) und für das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9) eine zweite Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) ermittelt, wobei in einem Verfahrensschritt A ein Systemzustand des Fluggerätes in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsinformation (11) und/oder einer Missionsinformation des Fluggerätes ermittelt wird; in einem Verfahrensschritt B mittels einer automatisierten, formalen Entscheidungslogik (21) in Abhängigkeit von der ersten und der zweiten Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) und dem Systemzustand und einer Steuerungshierarchie das erste oder das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9) priorisiert wird; in einem Verfahrensschritt C entweder das erste Steuersignal (3, 5, 7, 9) oder das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9) in Form eines priorisierten Steuersignals (13) ausgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalauswahl für Flugsysteme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch eine Signalauswahlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9, ein Fluggerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14, eine Bodenstation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 17 sowie ein Flugsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.
Zur Steuerung eines Fluggerätes stehen im regulären Flugbetrieb häufig mehrere Steuersignale zur Verfügung. Insbesondere in einem verteilten System muss ein verantwortlicher Pilot (Pilot in Command, PiC) bestimmt werden.
Der verantwortliche Pilot kann dabei sowohl in Form von Hard- und Software-Implementierungen als auch in Form eines menschlichen Piloten an Bord oder außerhalb des Fluggeräts auftreten, beispielsweise in Form eines Piloten und eines Autopiloten. Bei mehreren, insbesondere sich widersprechenden Steuersignalen aus verschiedenen Quellen ist es daher erforderlich, eines dieser Steuersignale auszuwählen.
Die Luftfahrtbehörde EASA definiert in der EASA Certified Unmanned Aircraft Category den unbemannten Flugbetrieb (Type 2) und bemannten Flugbetrieb (Type 3), die sicherheitskritische Missionen über Großstädten zum Transport von Menschen und Fracht ermöglichen. Insbesondere für solche Missionen ist es erforderlich, dass Übergabeabläufe (Handover) zwischen verantwortlichen Piloten sicher, korrekt und rechtzeitig ausgeführt werden. Erstrebenswert ist neben dem rein unbemannten Betrieb (Typ 2) auch ein Gemischtbetrieb mit menschlichem Piloten an Bord (Permeability Typ 2 und Typ 3 Operations), welcher einzelne Automatisierungsfunktionen als Assistenzsystem nutzt oder in frühen Stadien des automatisierten Flugbetriebs als Sicherheitspilot zur Verfügung steht.
Um die Übergabeabläufe sicher, korrekt und rechtzeitig auszuführen, werden Signalauswahlverfahren und -vorrichtungen benötigt, die bei mehreren Steuersignalen eine Auswahl des unter sicherheitstechnischen Aspekten korrekten Steuersignals ermöglichen.
Aus dem Stand der Technik sind Signalauswahlverfahren sowie Signalauswahlvorrichtungen bekannt, mit denen ein solches, priorisiertes Steuersignal aus mindestens einem ersten und einem zweiten Steuersignal ausgewählt werden können.
Dabei sind Signalauswahlvorrichtungen in Form elektronischer Selektionsschaltungen (auch: Multiplexer) bekannt. Diese weisen eine Mehrzahl an Eingängen auf, in die eine entsprechende Anzahl an Steuersignalen eingegeben werden kann. Mittels eines externen Selektionssignals kann mindestens eines der eingehenden Steuersignale an einen Ausgang der Selektionsschaltung durchgeschaltet und dadurch ausgegeben werden.
Die Entscheidung darüber, welches der Steuersignale an den Ausgang des Multiplexers durchgeschaltet wird, kann in Abhängigkeit der Signaleigenschaften der Steuersignale getroffen werden. In diesem Zusammenhang lehrt die US 2019\031330 A1, Steuersignale hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit zu analysieren. Dabei wird z. B. ermittelt, ob ein Steuersignal auf einer verlässlichen Sensorinformation beruht oder ein sicheres Flugmanöver bewirkt, bei dem sich das zu steuernde Fluggerät innerhalb eines festgelegten Sicherheitskorridors bewegt.
Zur Ermittlung einer Zuverlässigkeitsinformation zu einem Steuersignal werden statistische Methoden sowie Methoden des maschinellen Lernens verwendet. Wird einem Steuersignal anhand der ermittelten Parameter eine niedrige Zuverlässigkeit beigemessen, so wird ein anderes Steuersignal zur Steuerung des Fluggerätes als Überschreibungssignal ausgewählt.
Ein Nachteil bekannter Verfahren und Vorrichtungen ist darin zu sehen, dass die Signalauswahl lediglich anhand der Zuverlässigkeitsinformation getroffen wird. Damit stellt die Zuverlässigkeitsinformation das einzige Entscheidungskriterium dar, anhand dessen eine Signalauswahl vorgenommen wird. Dies ist insbesondere deswegen nachteilig, da ein negatives Charakteristikum eines Steuersignals, z. B. eine hohe Streuung, durch ein positives Charakteristikum des Steuersignals, z. B. eine hohe Datendichte, kompensierbar ist. Dadurch kann gegebenenfalls ein ungeeignetes Steuersignal ausgewählt werden, wodurch die Sicherheit im Flugbetrieb verringert wird.
Ein weiterer Nachteil an den vorbekannten Lösungen ist, dass lediglich interne Steuersignale verarbeitet werden. Externe Steuersignale, beispielsweise von einem Tower oder einer Bodenstation, werden nicht berücksichtigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu beheben und eine höhere Sicherheit für den Betrieb von Fluggeräten in Flugsystemen zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Signalauswahl nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 8. Weiter wird die Aufgabe gelöst durch eine Signalauswahlvorrichtung nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 10 bis 13. Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Fluggerät gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Fluggeräts finden sich in den Ansprüchen 15 und 16. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch eine Bodenstation gemäß Anspruch 17 und ein Flugsystem gemäß Anspruch 18. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden diese Ansprüche hiermit explizit per Referenz in die Beschreibung aufgenommen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Signalauswahl empfängt eine Signalauswahlvorrichtung zumindest ein erstes Steuersignal und ein zweites Steuersignal. Wie an sich bekannt, wird mittels einer Analyselogik für das erste Steuersignal eine erste Zuverlässigkeitsinformation und für das zweite Steuersignal eine zweite Zuverlässigkeitsinformation ermittelt.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass zumindest das erste und/oder das zweite Steuersignal von einer Fernsteuereingabe eines Piloten und/oder eines Autopiloten abhängig ist und dass in einem Verfahrensschritt A ein Systemzustand des Fluggerätes in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsinformation und/oder einer Missionsinformation des Fluggerätes ermittelt wird. In einem Verfahrensschritt B wird mittels einer automatisierten, formalen Entscheidungslogik in Abhängigkeit von der ersten und der zweiten Zuverlässigkeitsinformation und dem Systemzustand und einer Steuerungshierarchie das erste oder das zweite Steuersignal priorisiert. In einem Verfahrensschritt C wird das priorisierte Steuersignal ausgegeben.
Die Bezeichnungen erstes Steuersignal und zweites Steuersignal bzw. erste Zuverlässigkeitsinformation und zweite Zuverlässigkeitsinformation sind nicht einschränkend, was die Anzahl oder Reihenfolge der Signale und/oder Zuverlässigkeitsinformationen betrifft. Vielmehr sind die Anzahl und Reihenfolge im Wesentlichen gleichzeitig eintreffender Signale beliebig. Entscheidend ist lediglich, dass jedem Signal eine Zuverlässigkeitsinformation zugeordnet wird.
Die Zuverlässigkeitsinformationen enthalten vorzugsweise Informationen zu den statistischen und/oder signaltheoretischen Charakteristika des jeweils analysierten Steuersignals. Beispielsweise enthalten die Zuverlässigkeitsinformationen Parameter oder Parametersätze, die die Signalqualität, Datenkorruption, Frequenz und/oder Paketverlust innerhalb eines Steuersignals beschreiben. Sofern ein Steuersignal mittels eines protokollbasierten Datenlinks an die Signalauswahlvorrichtung übermittelt wird, kann das verwendete Protokoll dazu genutzt werden, das Steuersignal z. B. auf Vollständigkeit zu überprüfen oder die Quelle des Steuersignals zu ermitteln. Hierdurch ist es insbesondere möglich, ein Steuersignal als Fernsteuersignal zu identifizieren.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis der Anmelderin begründet, dass in einem Flugsystem neben den Zuverlässigkeitsinformationen der Steuersignale die Berücksichtigung weiterer Informationen für die Signalauswahl die Sicherheit erhöht. Erfindungsgemäße Eingangsgrößen für die Entscheidungslogik sind die Zuverlässigkeitsinformationen der eingehenden Steuersignale, der Systemzustand des Fluggeräts und die Steuerungshierarchie.
Der Systemzustand des Fluggeräts kann im Sinne der Erfindung auf das Fluggerät und dessen Komponenten als „System“ beschränkt sein; vorzugsweise umfasst der Systemzustand jedoch alle am Betrieb des Fluggeräts beteiligten Luft- und Bodenkomponenten.
Der Systemzustand des Fluggeräts ist unabhängig von den Steuersignalen und damit unabhängig von den Zuverlässigkeitsinformationen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Sicherheit, insbesondere bei der Übergabe zwischen zuständigen Piloten, im Vergleich zum Stand der Technik erhöht wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Signalauswahlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Die erfindungsgemäße Signalauswahlvorrichtung für ein Flugsystem mit einem Fluggerät ist dazu ausgestaltet, ein erstes Steuersignal und ein zweites Steuersignal zu empfangen. Die Signalauswahlvorrichtung weist eine implementierte Analyselogik auf, die dazu ausgestaltet ist, für das erste Steuersignal eine erste Zuverlässigkeitsinformation zu ermitteln und für das zweite Steuersignal eine zweite Zuverlässigkeitsinformation zu ermitteln.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Signalauswahlvorrichtung ist, dass die Signalauswahlvorrichtung dazu ausgestaltet ist, zumindest das erste oder das zweite Steuersignal von einer Fernsteuereingabe eines Piloten und/oder eines Autopiloten zu empfangen und einen Systemzustand des Fluggerätes in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsinformation und/oder einer Missionsinformation des Fluggerätes zu ermitteln. Weiter weist die Signalauswahlvorrichtung eine implementierte, automatisiert ausführbare Entscheidungslogik auf, die dazu ausgestaltet ist, das erste oder das zweite Steuersignal in Abhängigkeit von der ersten und der zweiten Zuverlässigkeitsinformation und dem Systemzustand und einer Steuerungshierarchie zu priorisieren, wobei die Signalauswahlvorrichtung dazu ausgestaltet ist, das priorisierte Steuersignal mittels eines protokollbasierten Datenlinks auszugeben.
Die erfindungsgemäße Signalauswahlvorrichtung kann als Bestandteil eines Bordcomputers oder eines Steuergerätes an Bord eines Fluggerätes ausgestaltet sein. Ebenso kann die Signalauswahlvorrichtung als Teil einer Bodenstation, insbesondere eines Flugplatzes für senkrecht startende und landende Fluggeräte (Vertiport) oder einer Navigationsvorrichtung ausgestaltet sein. Unabhängig von der Ausführungsform, ist die erfindungsgemäße Signalauswahlvorrichtung vorzugsweise dazu ausgestaltet, das erfindungsgemäße Verfahren zur Signalauswahl durchzuführen. Damit werden durch die erfindungsgemäße Signalauswahlvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Signalauswahl grundsätzlich dieselben Vorteile erzielt.
Der Systemzustand des Fluggeräts wird anhand von Zustandsinformationen und/oder Missionsinformationen des Fluggeräts bestimmt.
Die Zustandsinformation wird vorzugsweise anhand von Daten wie einer vertikalen Beschleunigung, der Fluggeschwindigkeit oder einer Wenderate des Fluggerätes ermittelt, welche anhand einzelner feststellbarer Positionen und/oder Sensorinformationen des Fluggerätes bestimmt werden können. Die Zustandsinformation kann Informationen über den Luftraum oder beispielsweise einen potentiellen Kollisionskurs enthalten.
Die Missionsinformation gibt vorzugsweise Auskunft über die operationellen Zustände, wenn sich das Fluggerät am Boden befindet („Boden“) oder im Flug („Mission“) mit den verschiedenen Flugphasen wie Start, Reiseflug und Landung.
Die Missionsinformation kann anhand der Zustandsinformationen ermittelt werden z. B. indem für den Startvorgang charakteristische dynamische Zustände mit hinreichender Wahrscheinlichkeit einem Flugstart zugeordnet werden können. Somit umfasst die Zustandsinformation und die Missionsinformation jeweils einen oder mehrere Parameter, mit denen das Fluggerät in seinem Betrieb überwacht werden kann.
Einzelne oder mehrere Zustandsinformationen und/oder Missionsinformationen können zusammengeführt werden und ergeben den Systemzustand des Fluggerätes. Anhand des Systemzustands ist der Flugbetrieb beschreibbar. Hierzu gehören z. B. Informationen darüber, ob der Flugbetrieb planmäßig verläuft und in welcher Phase des Fluges das Fluggerät sich aktuell befindet.
Vorzugsweise ist jedem Systemzustand eine eindeutige flugphasenabhängige Steuerungshierarchie zugewiesen. Vorzugsweise kann jedem Systemzustand eine eindeutige Priorisierung der zur Flugsteuerung zur Verfügung stehenden Systeme zugeordnet, beispielsweise ein maßgeblicher Pilot zugewiesen werden. Die Steuerungshierarchien sind z.B. in Form einer multidimensionalen Datenbank abgelegt.
Der Systemzustand und die Zuverlässigkeitsinformationen stellen zwei voneinander getrennte Größen dar, die in die formale Entscheidungslogik eingegeben werden, um das priorisierte Steuersignal zu ermitteln. Somit ist die Ermittlung des priorisierten Steuersignals im Gegensatz zum Stand der Technik nicht alleine von einem einzigen Entscheidungskriterium in Form der Zuverlässigkeitsinformationen abhängig.
Vorzugsweise ist die formale Entscheidungslogik dazu ausgestaltet, die eingegebenen Zuverlässigkeitsinformationen auszuwerten, sodass diese in die Priorisierung eines Steuersignals einfließen. Die statistischen oder signaltheoretischen Parameter der Zuverlässigkeitsinformationen werden dabei zur Einschätzung der Verfügbarkeit eines beteiligten Systems sowie Verlässlichkeit der übermittelten Daten herangezogen. Die Zuverlässigkeitsinformation dient somit als Eingangsgröße für die Entscheidungslogik, welche die Auswahl für den zum aktuellen Zeitpunkt bestgeeigneten Piloten trifft. Dies ist im einfachsten Fall als große Übergangstabelle darstellbar.
Wie bereits beschrieben ist vorzugsweise jedem Systemzustand eine eindeutige flugphasenabhängige Steuerungshierarchie zugewiesen. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Steuerungshierarchie Modellannahmen, Simulationsstudien, Ergebnisse aus Experimenten und/oder Expertenwissen sowie regulatorische Rahmenbedingungen berücksichtigt.
Nachdem das priorisierte Steuersignal ermittelt wurde, wird es ausgegeben. Vorzugsweise erfolgt die Ausgabe mittels einer kabellosen Datenverbindung, insbesondere eines Datenlinks, wenn das Signalauswahlverfahren räumlich getrennt von einem zu steuernden Fluggerät durchgeführt wird. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass das Verfahren zur Signalauswahl an Bord eines Fluggerätes durchgeführt wird, während die Eingabe der Steuersignale über einen oder mehrere Datenlinks erfolgt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Ermittlung der ersten und/oder der zweiten Zuverlässigkeitsinformation jeweils anhand probabilistischer oder formaler Methoden, bevorzugt anhand Bayesscher Filter und/oder temporaler Logiken. Vorzugsweise erfolgt die Analyse der eingehenden Steuersignale mittels formaler oder datengetriebener Methoden bezüglich einer Vielzahl relevanter Parameter, wie z. B. der Signalqualität, Datenkorruption, Frequenz, Paketverlust usw. Der Vorteil dieser Analyse ist, dass formale oder probabilistische Garantien für das Analyseergebnis gegeben werden können, wodurch Fehlentscheidungen vollständig oder mit hinreichender Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Zustandsinformation und/oder die Missionsinformation des Fluggerätes in Verfahrensschritt A von einem Runtime-Monitoring-System übermittelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ermittelt das Runtime-Monitoring-System auf der Grundlage aller vorhandenen Informationen über das Fluggerät und die Umgebung den Systemzustand. Dazu erfasst das Runtime-Monitoring-System vorzugsweise anhand geeigneter Komponenten wie beispielsweise Sensoren die erforderlichen Daten und/oder erhält externe Informationen. Die Sensoren sind dazu ausgestaltet, den Flugbetrieb des Fluggerätes zu überwachen. Vorzugsweise ermittelt das Runtime-Monitoring-System die Zustandsinformation und/oder die Missionsinformation in wiederholbarer Weise. Insbesondere lassen sich mehrere ermittelte Zustandsinformationen und/oder Missionsinformationen zwischen mehreren Zeitpunkten oder Flugzuständen des Fluggerätes auf einfache Weise miteinander vergleichen, um Auffälligkeiten im Systemzustand zu ermitteln.
Es ist vorteilhaft, wenn das Runtime-Monitoring-System unabhängig von der Erzeugung der Steuersignale ausgestaltet ist, sodass negative Wechselwirkungen zwischen Steuersignalen und Zustandsinformationen und/oder Missionsinformationen vermieden werden. Dadurch wird die Unabhängigkeit eines ermittelbaren Systemzustandes von etwaigen Fehlern der Steuersignale weiter erhöht und die Sicherheit der Signalauswahl verbessert.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Steuersignale und die Zustandsinformationen über ein und denselben Kommunikationsweg an die Signalauswahlvorrichtung übermittelt werden. Dabei kann es sich insbesondere um einen protokollbasierten Datenlink handeln, bei dem die Steuersignale und die Zustandsinformation und/oder die Missionsinformation anhand jeweiliger Übertragungsprotokolle eindeutig voneinander trennbar sind.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die Steuerungshierarchie in Abhängigkeit des Systemzustandes und/oder der ersten und der zweiten Zuverlässigkeitsinformation, vorzugsweise unter Berücksichtigung regulatorischer Rahmenbedingungen, aus einer Vielzahl an Steuerungshierarchien in einer Datenbank ausgewählt. Die Verfügbarkeit bzw. Zuverlässigkeit der in der Steuerungshierarchie gelisteten Steuerungsfunktionen kann dann bestimmen, welche Steuerungskomponente letztlich als pilot in command gewählt wird.
Die Steuerungshierarchie ist vorteilhafterweise in einer Datenbank hinterlegt.
Die Datenbank liegt z. B. in Form einer mehrdimensionalen Matrix vor, welche fortlaufend angepasst oder erweitert werden kann. Insbesondere kann dezentral auf die Datenbank zugegriffen werden, um sie anzupassen oder zu erweitern. Dadurch können die in der Datenbank hinterlegten Steuerungshierarchien während oder nach Abschluss eines Flugmanövers durch den Piloten verändert, verifiziert oder verworfen werden. Dadurch lässt sich das Verfahren zur Signalauswahl insbesondere in Hinblick auf die formale Entscheidungslogik nachhaltig optimieren.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Verfahren zur Signalauswahl als räumlich verteiltes Auswahlverfahren, insbesondere mit einer dezentralen Steuervorauswahl und/oder einer dezentralen Signalverarbeitung auf der Basis von räumlich verteilten Subsystemen.
Ein räumlich verteiltes Auswahlverfahren sieht eine räumliche Trennung für die Erzeugung der Steuersignale, der Ermittlung ihrer zugehörigen Zuverlässigkeitsinformationen sowie die Durchführung der Verfahrensschritte A bis C vor. Die räumliche Trennung in der Erzeugung der Steuersignale kann in Form räumlich getrennter Flugführungsfunktionen ausgestaltet sein, welche auf getrennten Hardwaremodulen innerhalb sowie außerhalb des Fluggerätes bereitgestellt werden. Hierzu zählen Flugführungsmodule für definierte Flugphasen, wie Start, Ausweichen oder Landung.
Alternativ können die Flugführungsfunktionen zumindest teilweise auf einem gemeinsamen Hardwaremodul bereitgestellt werden, welches jedoch vollständig als Teil einer Bodenstation ausgestaltet ist. Hierbei befindet sich die Signalauswahlvorrichtung ebenfalls vollständig am Boden, sodass nur noch das priorisierte Steuersignal an das Fluggerät übermittelt werden muss. Dies verringert die erforderliche Datenbandbreite zur Fernsteuerung von Fluggeräten.
Alternativ können die Flugführungsmodule als Teil einer oder mehrerer Bodenstationen ausgestaltet sein, während die Signalauswahlvorrichtung an Bord des Fluggerätes angeordnet ist. Dadurch können auch ausschließlich fernsteuerbare Fluggeräte sicher betrieben werden.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Verfahren als kaskadiertes Verfahren, wobei die Signalauswahlvorrichtung zumindest das erste oder das zweite Steuersignal von einer untergeordneten Signalauswahlvorrichtung empfängt. Zusätzlich oder alternativ gibt die Signalauswahlvorrichtung das priorisierte Steuersignal an eine übergeordnete Signalauswahlvorrichtung aus.
Das kaskadierte Verfahren kann eine Sonderform des räumlich verteilten Verfahrens zur Signalauswahl darstellen. Ergänzend zu den Merkmalen des räumlich verteilten Verfahrens wird das kaskadierte Verfahren anhand mindestens zweier in Reihe geschalteter Signalauswahlvorrichtungen durchgeführt.
In einer derart kaskadierten Anordnung empfängt eine erste Steuerungsvorrichtung ein erstes und ein zweites Steuersignal, während eine zweite Steuerungsvorrichtung ein drittes und ein viertes Steuersignal empfängt. In Summe stehen somit vier Steuersignale zur Steuerung eines Fluggerätes zur Verfügung. Unter Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte in der ersten und zweiten Signalauswahlvorrichtung können zunächst zwei priorisierte Steuersignale ermittelt werden, welche wiederum jeweils als erstes bzw. zweites Steuersignal in eine dritte, übergeordnete Signalauswahlvorrichtung eingegeben werden. Die dritte Signalauswahlvorrichtung ermittelt daraus ein finales, priorisiertes Steuersignal. Vorteilhafterweise sind die Signalauswahlvorrichtungen baugleich ausgestaltet, sodass sie im Bedarfsfall einfach ausgetauscht werden können.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, umfasst das Verfahren einen Verfahrensschritt D, in welchem das Fluggerät das priorisierte Steuersignal empfängt und in Abhängigkeit des priorisierten Steuersignals autonom zwischen mindestens einem ersten und einem zweiten Betriebszustand umschaltet.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das priorisierte Steuersignal nicht durch eine weitere Sicherheitsabfrage kontrolliert werden muss, um in den Flugbetrieb des Fluggerätes eingreifen zu können. Alle sicherheitsrelevanten Kriterien werden in der formalen Entscheidungslogik in Abhängigkeit der Zuverlässigkeitssignale sowie des Systemzustandes und der Steuerungshierarchie berücksichtigt. Dadurch ist ein Mischbetrieb zwischen einem unbemannten Flugbetrieb, insbesondere entsprechend Type 2 der Certified Unmanned Aircraft Category der Luftfahrtbehörde EASA, und einem bemannten Flugbetrieb, insbesondere nach Type 3 des Certified Unmanned Aircraft Category der Luftfahrtbehörde EASA, möglich. Dieser erlaubt die Durchführung sicherheitskritischer Missionen über Großstädten zum Transport von Menschen und Fracht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung speichert die Signalauswahlvorrichtung in Verfahrensschritt C zumindest das empfangene erste Steuersignal und das empfangene zweite Steuersignal, die ermittelten Zuverlässigkeitsinformationen, den Systemzustand sowie das Überschreibungssignal mit zumindest einem jeweils zugehörigen Zeitstempel und/oder einer Ereignisinformation in einem Flugschreiber.
Im Gegensatz zu bekannten Flugschreibern werden hierbei nicht nur die relevanten Flugparameter während eines Fluges erfasst, sondern alle Eingangsparameter, die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Signalauswahl oder einer ihrer vorteilhaften Weiterbildungen erforderlich sind. Somit lassen sich Notsituationen im Hinblick auf die Signalauswahl nach sicherer Landung des Fluggerätes rekonstruieren und dadurch die funktionale Sicherheit der Signalauswahlvorrichtung belegen und/oder optimieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Signalauswahlvorrichtung dazu ausgestaltet, ein erstes Steuersignal und ein zweites Steuersignal zu empfangen, wobei zumindest das erste oder das zweite Steuersignal von einer Fernsteuereingabe eines Piloten und/oder eines Autopiloten abhängig ist.
Eine in die Signalauswahlvorrichtung integrierte Recheneinheit ist vorzugsweise mittels einer implementierten Analyselogik dazu ausgestaltet, für das erste Steuersignal eine erste Zuverlässigkeitsinformation zu ermitteln und für das zweite Steuersignal eine zweite Zuverlässigkeitsinformation zu ermitteln. Dabei ist die Recheneinheit dazu ausgestaltet, einen Systemzustand des Fluggerätes in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsinformation und/oder einer Missionsinformation des Fluggerätes zu ermitteln und mittels einer implementierten, automatisiert ausführbaren Entscheidungslogik das erste oder das zweite Steuersignal in Abhängigkeit von der ersten und der zweiten Zuverlässigkeitsinformation und dem Systemzustand und einer Steuerungshierarchie zu priorisieren. Die Signalauswahlvorrichtung ist außerdem dazu ausgestaltet, das priorisierte Steuersignal mittels eines protokollbasierten Datenlinks auszugeben.
Die erfindungsgemäße Signalauswahlvorrichtung kann als Bestandteil eines Bordcomputers oder eines Steuergerätes an Bord eines Fluggerätes ausgestaltet sein. Ebenso kann die Signalauswahlvorrichtung als Teil einer Bodenstation, insbesondere eines Vertiports oder einer Navigationsvorrichtung ausgestaltet sein. Unabhängig von seiner Ausführungsform, ist die erfindungsgemäße Signalauswahlvorrichtung vorzugsweise dazu ausgestaltet, das erfindungsgemäße Verfahren zur Signalauswahl durchzuführen. Damit werden durch die erfindungsgemäße Signalauswahlvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Signalauswahl grundsätzlich dieselben Vorteile erzielt.
Vorzugsweise umfasst die Signalauswahlvorrichtung ein analoges und/oder ein digitales Modul zur Datenübertragung, mit dem Steuersignale empfangen bzw. das priorisierte Steuersignal ausgegeben werden kann.
Dies kann mittels eines Datenlinks realisiert sein, mit dem eine Datenübertragung unter Verwendung eines Übertragungsprotokolls realisiert ist. Durch Verwendung eines Übertragungsprotokolls lässt sich eine Mehrzahl an Sendern von Steuersignalen einem oder mehreren geeigneten Empfängern zuordnen. Ferner können mittels des Übertragungsprotokolls neben den kommunizierten Steuersignalen Informationen zur erforderlichen Signalstruktur in Form von Metainformationen kommuniziert werden. Diese Metainformationen können z. B. die Paketgröße eines Signals betreffen, die ein Empfänger erwarten muss. Im Falle mehrteiliger Datenübertragungen kann über das Übertragungsprotokoll ferner die Anzahl sowie die laufende Nummer eines Paketes mitgeteilt werden. In Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren ist die Verwendung eines Übertragungsprotokolls insofern vorteilhaft, da der Analyselogik anhand der Protokollstruktur mitgeteilt werden kann, welche Zuverlässigkeitsinformationen über ein Steuersignal unmittelbar bestimmt werden können.
Weiter ist die Signalauswahlvorrichtung dazu ausgestaltet, eine Zustandsinformation und/oder eine Missionsinformation zu empfangen. Dies kann vorteilhafterweise über eine Datenverbindung erfolgen, die unabhängig von der Übertragung der Steuersignale ist, um negative Wechselwirkungen zwischen den Steuersignalen und der Zustandsinformation und/oder der Missionsinformation zu vermeiden. Alternativ kann jedoch auch dieselbe Datenverbindung unter Verwendung eines zweiten Übertragungsprotokolls genutzt werden, um Zustands- und Missionsinformationen über dieselbe Datenverbindung zu übertragen, die auch für die Übermittlung der Steuersignale genutzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Recheneinheit der Signalauswahlvorrichtung als Prozessor einer elektronischen Schaltung oder beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers mit einem Prozessor sowie weiteren Peripheriemodulen für eine protokollbasierte Kommunikation ausgestaltet. Die Recheneinheit ist signaltechnisch dazu ausgestaltet, die Steuersignale und die Zustandsinformationen sowie die Missionsinformationen zu empfangen. Ebenso kann die Recheneinheit serverbasiert ausgestaltet sein.
Auf der Recheneinheit ist zumindest eine Analyselogik und eine formale Entscheidungslogik implementiert. Die Analyselogik ist vorzugsweise in Form eines Programmcodes mit einer oder mehreren Funktionen implementiert, die jeweils dazu ausgestaltet sind, das erste und das zweite Steuersignal zur Ermittlung der ersten bzw. zweiten Zuverlässigkeitsinformation auszuwerten. Die formale Entscheidungslogik ist ebenfalls als Programmcode implementiert und erlaubt eine Priorisierung der Steuersignale zur Ermittlung eines Überschreibungssignals. Dies erfolgt in Abhängigkeit der ermittelten Zuverlässigkeitsinformationen sowie des Systemzustandes.
Zur Ermittlung des Systemzustandes kann ein beliebiger Sensor oder ein Sensorsystem im Flugsystem verwendet werden, welcher zur Systembeobachtung geeignet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Signalauswahlvorrichtung und/oder die Recheneinheit der Signalauswahlvorrichtung mittels einer implementierten probabilistischen Logik, insbesondere einem Bayesschen Filter und/oder einer temporalen Logik dazu ausgestaltet, zumindest die erste oder die zweite Zuverlässigkeitsinformation zu ermitteln.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Signalauswahlvorrichtung ein Runtime-Monitoring-System auf, oder ist signaltechnisch mit einem Runtime-Monitoring-System verbunden, um die Zustandsinformation und/oder die Missionsinformation des Fluggerätes zu erfassen.
Das Runtime-Monitoring-System ist vorzugsweise dazu ausgestaltet, eine online-Überwachung eines Fluggerätezustandes durchzuführen. Dazu kann das Runtime-Monitoring-System zumindest einen Sensor und ein Rechenmodul aufweisen, die zur sensorischen Überwachung des Fluggeräts und des umgebenden Luftraums ausgestaltet sind. Dabei erfasst der Sensor beispielsweise Flugparameter wie z. B. die Fluggeschwindigkeit und gibt diese an das Rechenmodul. Dieser wertet die Sensordaten aus und gibt sie in Form der Zustandsinformation an die Signalauswahlvorrichtung aus.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Sensoren des Runtime-Monitoring-Systems auf verschiedene Quellen verteilt sind. Beispielsweise können Informationen von Sensoren des Fluggeräts oder von Sensoren von verschiedenen Bodenstationen genutzt werden. Zudem liegt es im Rahmen der Erfindung, dass ein menschlicher Bediener Missionsinformationen z. B. nach einer erfolgten Missionsfreigabe an das Runtime-Monitoring-System übermittelt, sodass diese an die Signalauswahlvorrichtung weitergegeben werden können, um eine geeignete Steuerungshierarchie zu ermitteln.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Signalauswahlvorrichtung und/oder die Recheneinheit der Signalauswahlvorrichtung signaltechnisch mit einer Datenbank verbunden, um die Steuerungshierarchie in Abhängigkeit des Systemzustandes und/oder der ersten und der zweiten Zuverlässigkeitsinformation aus einer Vielzahl an Steuerungshierarchien auszuwählen.
Die Datenbank kann innerhalb einer gemeinsamen elektrischen Schaltung physisch mit der Recheneinheit verbunden sein. Alternativ kann die Recheneinheit signaltechnisch mit einer dezentral betriebenen Datenbank verbunden sein. Eine derart dezentral betriebene Datenbank erlaubt es, Steuerungshierarchien laufend zu erweitern oder anzupassen.
In einer wieder anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist die Signalauswahlvorrichtung als räumlich verteilte und/oder kaskadierte Subsysteme ausgestaltet. Zusätzlich oder alternativ ist sie signaltechnisch mit einer untergeordneten oder übergeordneten Signalauswahlvorrichtung verbunden, um zumindest das erste oder das zweite Steuersignal zu empfangen bzw. um das priorisierte Steuersignal auszugeben.
Im Falle kabelgebundener Signalübertragung zwischen den kaskadierten Signalauswahlvorrichtungen kann die Anzahl auswählbarer Steuersignale erhöht werden, ohne dass die Hardwarebestandteile einer Signalauswahlvorrichtung angepasst werden müssen. Insbesondere können die Signalauswahlvorrichtungen identisch ausgestaltet und damit einfach austauschbar sein.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Fluggerät mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
Das erfindungsgemäße Fluggerät ist vorzugsweise als elektrisch betriebenes Fluggerät ausgestaltet und weist ein Steuergerät, insbesondere einen Flight-Control-Computer, auf. Das Steuergerät ist dazu ausgestaltet, zumindest ein Steuersignal zu empfangen und ein Ausgangssignal zur Erzeugung eines Flugzustandes und/oder einer Flugbewegung auszugeben.
Wesentlich ist, dass das Steuergerät mit einer erfindungsgemäßen Signalauswahlvorrichtung oder einer vorteilhaften Weiterbildung der Signalauswahlvorrichtung signaltechnisch verbunden ist.
Das Fluggerät kann dabei als ein Multicopter mit einer Vielzahl an Antriebseinheiten ausgestaltet sein. Das Steuergerät dient dazu, z. B. mittels einer Motormatrix eingehende Steuersignale zu interpretieren und seinerseits Steuersignale zum Betrieb der Antriebseinheiten auszugeben, um eine gewünschte Bewegung des Fluggerätes zu bewirken.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Fluggerät als senkrecht startendes und landendes Fluggerät, insbesondere als unbemanntes, senkrecht startendes und landendes Fluggerät ausgebildet.
Senkrecht startende Fluggeräte eignen sich besonders für den innerstädtischen Flugbetrieb, da insbesondere in eng bebauten Großstädten keine weitläufigen Start- und Landebahnen vorgesehen werden müssen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Fluggerät einen Flugschreiber, der mit dem Steuergerät und/oder mit der Signalauswahlvorrichtung signaltechnisch verbunden ist. Der Flugschreiber ist dazu ausgestaltet, zumindest das erste und zweite Steuersignal und/oder das Überschreibungssignal, die Zuverlässigkeitsinformation und den Systemzustand mit einem jeweils zugehörigen Zeitstempel und/oder einer Ereignisinformation zu speichern.
Der Flugschreiber umfasst zumindest eine Speichereinheit, welche in einem Gehäuse derart angeordnet ist, dass sie in einer Notsituation bei hohen auftretenden Beschleunigungen, Temperaturentwicklungen usw. nicht beschädigt wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Bodenstation mit den Merkmalen des Anspruchs 17.
Die erfindungsgemäße Bodenstation weist eine an sich bekannte Steuerungsvorrichtung zur Fernsteuerung eines Fluggerätes auf. Die Steuerungsvorrichtung ist dazu ausgestaltet, eine abstrakte und/oder konkrete Fernsteuereingabe eines menschlichen Piloten und/oder eines Autopiloten in Form eines ersten oder eines zweiten Steuersignals an eine Signalauswahlvorrichtung auszugeben.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Bodenstation ist, dass die Signalauswahlvorrichtung entsprechend der erfindungsgemäßen Signalauswahlvorrichtung oder einer ihrer vorteilhaften Weiterbildungen ausgestaltet ist.
Die Bodenstation ist vorzugsweise als Start und/oder Landestation in Form eines Vertiports ausgestaltet. Dieser kann ein Kommandozentrum umfassen, in dem abhebende und/oder landende Fluggeräte koordiniert oder mittels einer Steuervorrichtung gesteuert werden. Die Steuervorrichtung kann dabei z. B. als virtuelles Cockpit ausgestaltet sein, in dem ein menschlicher Pilot konkrete Flugführungssignale zur Landung des Fluggerätes mittels eines Steuerknüppels oder eines anderen geeigneten Eingabemittels erzeugt.
Zusätzlich oder alternativ kann die Steuervorrichtung einen maschinellen Autopiloten umfassen, der die Start- und/oder Landemanöver automatisiert durchführt.
Die von der Bodenstation ausgehenden Steuersignale werden in eine Signalauswahlvorrichtung eingegeben, um z. B. Missionsfreigaben zu erteilen oder sogar die Kontrolle über das Fluggerät übernehmen zu können.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Flugsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 18.
Das Flugsystem umfasst ein bemanntes oder unbemanntes Fluggerät mit einem Steuergerät, eine Signalauswahlvorrichtung und mindestens eine Bodenstation, wobei das Steuergerät des Fluggerätes signaltechnisch mit der Signalauswahlvorrichtung verbunden ist und die Bodenstation signaltechnisch mit der Signalauswahlvorrichtung verbunden ist.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Flugsystem ist, dass die Signalauswahlvorrichtung gemäß der erfindungsgemäßen Signalauswahlvorrichtung oder einer ihrer vorteilhaften Weiterbildungen ausgestaltet ist.
Das Fluggerät und das Flugsystem weisen ebenfalls die bereits beschriebenen Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Signalauswahl bzw. der erfindungsgemäßen Signalauswahlvorrichtung und/oder einer der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auf.
Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sind lediglich vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und deshalb nicht als einschränkend anzusehen.
Es zeigt

1 ein Fluggerät mit einer Signalauswahlvorrichtung;
2 eine schematische Darstellung zur Durchführung eines Verfahrens zur Signalauswahl;
3 ein Flugsystem mit einem Fluggerät und einer Signalauswahlvorrichtung;
4 eine schematische Darstellung eines räumlich verteilt durchführbaren Verfahrens zur Signalauswahl;
5 eine schematische Darstellung eines kaskadiert durchführbaren Verfahrens zur Signalauswahl;

1 zeigt ein senkrecht startendes und landendes Fluggerät 1 mit einer Signalauswahlvorrichtung 2.
Die Signalauswahlvorrichtung 2 ist im Detail in 2 dargestellt.
Die Signalauswahlvorrichtung 2 empfängt ein erstes Steuersignal 3 von einem menschlichen Piloten 4, ein zweites Steuersignal 5 von einem Ausweichsystem 6, ein drittes Steuersignal 7 von einem Landesystem 8 und ein viertes Steuersignal 9 von einer Bodenstation 10. Das vierte Steuersignal 9 von der Bodenstation 10 wird mittels eines Datenlinks mit einem Übertragungsprotokoll übergeben. Zudem empfängt die Signalauswahlvorrichtung 2 eine Zustandsinformation 11 von einem Runtime-Monitoring-System 12, das vorzugsweise an Bord des Fluggeräts 1 installiert ist, aber auch als auf die einzelnen Funktionseinheiten des gesamten Flugsystems verteilt sein kann. Es kann auch so auf die Funktionseinheiten verteilt sein, dass sich jede Funktionseinheit unabhängig von den anderen Funktionseinheiten selbst überwacht.
Mittels einer Analyselogik 16 (siehe 2) und einer Entscheidungslogik 21 (siehe 2) wird aus den Steuersignalen 3, 5, 7 und 9 ein priorisiertes Steuersignal 13 ermittelt, das an ein Steuergerät des Fluggerätes 14 gegeben wird, um eine Flugbewegung oder ein Flugmanöver zu erzeugen.
Das Fluggerät weist ferner einen Flugschreiber 15 auf, in den die Steuersignale 3, 5, 7 und 9, die Zustandsinformation 11 sowie das ermittelte priorisierte Steuersignal 13 eingegeben werden.
2 zeigt die Wirkweise, anhand derer die Signalauswahlvorrichtung 2 das priorisierte Steuersignal 13 ermittelt. Zur besseren Übersichtlichkeit ist der Flugschreiber 15 sowie die zu ihm führenden Signalpfade nicht dargestellt. Ferner sind lediglich die Funktionsblöcke dargestellt, die auf einer Recheneinheit der Signalauswahlvorrichtung 2 implementiert sind, um das priorisierte Steuersignal 13 zu ermitteln.
Die Signalauswahlvorrichtung 2 weist eine Analyselogik 16 und eine Entscheidungslogik 21 auf.
Mittels der Analyselogik 16 werden für die Steuersignale 3, 5, 7 und 9 jeweils eine entsprechende erste Zuverlässigkeitsinformation 17 für das erste Steuersignal 3, eine zweite Zuverlässigkeitsinformation 18 für das zweite Steuersignal 5, eine dritte Zuverlässigkeitsinformation19 für das dritte Steuersignal 7 und eine vierte Zuverlässigkeitsinformation 20 für das vierte Steuersignal 9 ermittelt.
Die Zuverlässigkeitsinformationen enthalten jeweils Parameter für die Streuung des jeweils entsprechenden Steuersignals. Die Analyselogik 16 ist dabei als Bayesscher Filter ausgestaltet.
Die Analyselogik gibt die Zuverlässigkeitsinformationen 17, 18, 19 und 20 in eine formale Entscheidungslogik 21 ein. Ebenso wird die Zustandsinformation 11 durch das Runtime-Monitoring-System 12 in die Entscheidungslogik 21 eingegeben. Anhand der Zustandsinformation 11 wird ein Systemzustand des Fluggerätes ermittelt, welcher eine eindeutige Identifikation eines Betriebszustandes zulässt - etwa ob sich das Fluggerät am „Boden“ oder in „Mission“ befindet.
Die formale Entscheidungslogik 21 steht in signaltechnischer Verbindung mit einer Datenbank 22, die als Teil der Signalauswahlvorrichtung 2 ausgestaltet ist. Die Datenbank 22 enthält eine Steuerungshierarchie.
Abhängig von der Flugphase ist jedem Systemzustand eine eindeutige Steuerungshierarchie zugewiesen, die eine Priorisierung der Steuersignale ermöglicht.
Auf der Basis der Zuverlässigkeitsinformation, des Systemzustands und der Steuerungshierarchie erfolgt somit eine eindeutige Auswahl eines geeigneten Steuersignal 3, 5, 7 oder 9, das als priorisiertes Steuersignal 13 an das Steuergerät 14 ausgegeben wird.
Ein Beispiel für die Signalauswahl wird anhand von 3 erläutert. Diese zeigt ein Flugsystem 23 mit dem Fluggerät 1gemäß 1
Das Flugsystem 23 weist eine Bodenstation 24 in Form eines Startvertiports auf, in dessen Kommandozentrum das vierte Steuersignal 9 generiert und als Fernsteuereingabe an das Fluggerät ausgegeben wird. Ferner befindet sich ein zweites Fluggerät 25 im Luftraum des Fluggerätes 1. Das Flugsystem 23 weist eine zweite Bodenstation in Form eines Landevertiports 26 auf. Der Landevertiport 26 weist einen menschlichen Piloten 27 auf, der ein fünftes Steursignal 31 in Form einer Fernsteuereingabe erzeugt.
Grundsätzlich kann das Fluggerät 1 in dem gezeigten Flugsystem 23 die operationellen Zustände „Boden“ und „Mission“ aufweisen, welche von dem Runtime-Monitoring-System 12 überwacht werden. Im Zustand „Boden“ befindet sich das Fluggerät 1 im Bereich des Startvertiports 24. Der Zustand „Mission“ ist beispielhaft in die Flugphasen „Start“ 28, „Ausweichen“ 29 und „Landen“ 30 aufgeteilt.
Im gezeigten Flugsystem 23 möchte der menschliche Pilot 4 vor Beginn des Flugbetriebes den „Start“ 28 persönlich anhand des von ihm generierten ersten Steuersignals durchführen (vgl. 1 und 2). Für den Betrieb des Startvertiports 24 ist jedoch festgelegt, dass ein Fluggerätestart nicht ohne vorherige Missionsfreigabe des Startvertiports 24 erfolgen kann. Diese Bedingung ist in der Datenbank 22 für die Steuerungshierarchie, auf die die formale Entscheidungslogik 21 zugreift, berücksichtigt.
Dabei ermittelt die formale Entscheidungslogik 21 anhand der Zustandsinformation 11 zunächst, in welchem Zustand sich das Fluggerät befindet. Da sich das Fluggerät 1 vor dem Start im Zustand „Boden“ befindet, ermittelt die formale Entscheidungslogik 21 eine Gruppe möglicher Steuerungshierarchien in der Datenbank 22 (vgl. 2), die dem Zustand „Boden“ zugeordnet sind. Da das vierte Steuersignal 9 mittels eines Übertragungsprotokolls an die Signalauswahlvorrichtung 2 übermittelt wird, kann dieses eindeutig als Missionsfreigabe identifiziert werden. Dadurch wird die Gruppe der möglichen Steuerungshierarchien weiter eingeschränkt, sodass das erste Steuersignal 1 als priorisiertes Steuersignal 13 ermittelt und an das Steuergerät 14 des Fluggerätes 1 ausgegeben wird.
Nach Abschluss des „Starts“ 28 befindet sich das Fluggerät 1 unerwartet auf Kollisionskurs mit dem zweiten Fluggerät 25. Der menschliche Pilot 4 reagiert aufgrund dieser Situation durch eine Steuereingabe.
Ein eigens zur Systemüberwachung ausgestalteter Geschwindigkeitssensor ermittelt die vergleichsweise hohe Fluggeschwindigkeit und übergibt sie an das Runtime-Monitoring-System 12. Dieses erkennt anhand der Fluggeschwindigkeit, dass sich das Fluggerät 1 in dem Zustand „Mission“ befindet. Anhand dieser Zustandsinformation des Runtime-Monitoring-Systems ermittelt die formale Entscheidungslogik wiederum eine Steuerungshierarchie, die dem Zustand „Mission“ zugeordnet ist.
Gleichzeitig wird aufgrund des zweiten Fluggerät 25 das automatische Ausweichsystem 6 aktiviert. Die Steuerungshierarchie sieht vor, das zweite Steuersignal 5, das von dem Ausweichsystem 6 in die Signalauswahlvorrichtung gegeben wird, gegenüber den anderen Steuersignalen zu priorisieren. Dies erlaubt ein automatisiertes Ausweichmanöver entsprechend dem Manöver „Ausweichen“ 29.
Nach Abschluss des „Ausweichens“ 29 befindet sich das Fluggerät im Landeanflug und damit weiterhin im Zustand „Mission“. Hierbei wird neben dem ersten, noch bestehenden Datenlink zum Startvertiport 24 ein zweiter Datenlink zum Landevertiport gebildet 26, sodass ein fünftes Steuersignal 31 in die Signalauswahlvorrichtung eingegeben wird. Anhand der Analyselogik wird erkannt, dass es eine zeitliche Überlappung zwischen dem vierten Steuersignal 9 des Startvertiports 24 und dem fünften Steuersignal 31 des Landevertiports gibt. Die Analyselogik erkennt zudem anhand des Übertragungsprotokolls des zweiten Datenlinks, dass es sich bei dem fünften Steuersignal 31 um eine Fernsteuereingabe handelt. Somit wird der erste Datenlink beendet und durch den zweiten Datenlink ersetzt. Dadurch findet ein sogenannter Signal-Handover an den Landevertiport 26 statt.
Bei dem fünften Steuersignal 31 handelt es sich um eine Landefreigabe, die für das Fluggerät erforderlich ist, um unter regulären Bedingungen am Landevertiport 26 landen zu können. Anhand des Zustandes „Mission“ bezieht die formale Entscheidungslogik der Signalauswahlvorrichtung 2 eine Steuerungshierarchie aus der Datenbank, welche unter Berücksichtigung der Landefreigabe eine Priorisierung des dritten Steuersignals 7 des Landesystems 8 erlaubt. Daraufhin wird die Landung automatisch initiiert.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Signalauswahlverfahrens, welches auf Basis räumlich verteilter, kaskadierter Subsysteme erfolgt. Dabei wird ein Teil der Signalauswahl innerhalb des Subsystems „Fluggerät“ 32 und ein anderer Teil innerhalb des Subsystems „Bodenstation“ 33 durchgeführt. Die beiden Subsysteme 32/33 sind über einen Datenlink 34 miteinander verbunden.
Innerhalb des Subsystems „Fluggerät“ 32 wird ein erstes Steuersignal 35 von einem ersten menschlichen Piloten 36 erzeugt, während ein zweites Steuersignal 37 durch einen ersten Autopiloten 38 generiert wird. Das zweite Steuersignal kann von einem vorverarbeiteten Steuersignal eines anderen Piloten oder einer Pilotenvorrichtung abhängig sein (nicht gezeigt). Eine erste Signalauswahlvorrichtung 39 identifiziert ein erstes priorisiertes Steuersignal 40, welches anhand der beschriebenen Wirkweise erläutert wurde.
Innerhalb des Subsystems „Bodenstation“ 33 wird ein drittes Steuersignal 41 von einem zweiten menschlichen Piloten 42 erzeugt, während ein viertes Steuersignal 43 durch einen zweiten Autopiloten 44 generiert wird. Eine zweite Signalauswahlvorrichtung 45 ermittelt ein zweites priorisiertes Steuersignal 46 ebenfalls anhand der bereits beschriebenen Wirkweise im Kontext der 2 und 3.
Mittels des Datenlinks 34 wird das zweite priorisierte Steuersignal 46 in das Subsystem „Fluggerät“ 32 gegeben, wo es zusammen mit dem ersten priorisierten Steuersignal 40 in eine dritte Signalauswahlvorrichtung 47 gegeben wird. Diese ermittelt aus den beiden priorisierten Steuersignalen 40 und 46 ein drittes priorisiertes Steuersignal 48, das in ein Steuergerät 49 eingegeben wird.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Signalauswahlverfahrens mit mehreren Subsystemen 50, 51, 52. Die Subsysteme 51 und 52 sind identisch strukturiert und weisen jeweils drei Signalvorverarbeitungsmodule 53, 54, 55 sowie jeweils eine Signalauswahlvorrichtung 56 auf. Jedes der Signalvorverarbeitungsmodule 53, 54, 55 empfängt ein Sensorsignal, welches verarbeitet und in Form eines Steuersignals in die Signalauswahlvorrichtung 56 eingegeben wird. Diese Signalauswahlvorrichtung ermittelt ein priorisiertes Steuersignal 13, welches anschließend an das übergeordnete Subsystem 50 mittels eines Datenlinks übertragen wird. Das übergeordnete Subsystem 50 weist wiederum Subsysteme auf, welche entsprechend den Subsystemen 51 und 52 ausgestaltet sind.

Claims

Verfahren zur Signalauswahl für ein Flugsystem (23) mit einem Fluggerät (1), und einer Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56), wobei die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) zumindest ein erstes Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) und ein zweites Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) empfängt, wobei mittels einer Analyselogik (16) für das erste Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) eine erste Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) und für das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) eine zweite Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste und/oder das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) von einer Fernsteuereingabe (9) eines Piloten und/oder eines Autopiloten außerhalb des Fluggeräts abhängig ist und in einem Verfahrensschritt A ein Systemzustand des Fluggerätes (1) in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsinformation (11) und/oder einer Missionsinformation (11) des Fluggerätes (1) ermittelt wird; in einem Verfahrensschritt B mittels einer automatisierten, formalen Entscheidungslogik (21) in Abhängigkeit von der ersten und der zweiten Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) und dem Systemzustand und einer Steuerungshierarchie (22) das erste oder das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) priorisiert wird; und in einem Verfahrensschritt C das priorisierte Steuersignal (13, 40, 46, 48) ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der ersten und/oder der zweiten Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) jeweils anhand probabilistischer oder formaler Methoden erfolgt, bevorzugt anhand Bayesscher Filter und/oder temporaler Logiken.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsinformation (11) und/oder die Missionsinformation (11) des Fluggerätes (1) in Verfahrensschritt A von einem Runtime-Monitoring-System (12) übermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungshierarchie in Abhängigkeit des Systemzustandes und/oder der ersten und der zweiten Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) aus einer Vielzahl an Steuerungshierarchien in einer Datenbank (22) ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Signalauswahl als räumlich verteiltes Auswahlverfahren erfolgt, insbesondere mit einer dezentralen Steuervorauswahl und/oder einer dezentralen Signalverarbeitung auf der Basis von räumlich verteilten Subsystemen (50, 51, 52).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Signalauswahl als kaskadiertes Verfahren erfolgt, wobei die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47) zumindest das erste oder das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) von einer untergeordneten Signalauswahlvorrichtung (39, 45) empfängt und/oder die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47) das priorisierte Steuersignal (13, 40, 46, 48) an eine übergeordnete Signalauswahlvorrichtung (47, 56) ausgibt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt D das Fluggerät das priorisierte Steuersignal (13, 40, 46, 48) empfängt und in Abhängigkeit des priorisierte Steuersignal (13, 40, 46, 48) autonom zwischen mindestens einem ersten und einem zweiten Betriebszustand (28, 29, 30) umschaltet.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswahlvorrichtung in Verfahrensschritt C zumindest das empfangene erste Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) und das empfangene zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43), die ermittelten Zuverlässigkeitsinformationen (17, 18), den Systemzustand sowie das priorisierte Steuersignal (13, 40, 46) mit zumindest einem jeweils zugehörigen Zeitstempel und/oder einer Ereignisinformation in einen Flugschreiber (15) gibt.
Signalauswahlvorrichtung für ein Flugsystem (23) mit einem Fluggerät (1), wobei die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47) dazu ausgestaltet ist, ein erstes Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) und ein zweites Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) zu empfangen, und die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47) eine implementierte Analyselogik (16) aufweist, die dazu ausgestaltet ist, für das erste Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) eine erste Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) zu ermitteln und für das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) eine zweite Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47) dazu ausgestaltet ist, zumindest das erste oder das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) von einer Fernsteuereingabe (9) eines Piloten und/oder eines Autopiloten zu empfangen und einen Systemzustand des Fluggerätes (1) in Abhängigkeit von zumindest einer Zustandsinformation (11) und/oder einer Missionsinformation (11) des Fluggerätes (1) zu ermitteln und die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) eine implementierte, automatisiert ausführbare Entscheidungslogik (21) aufweist und dazu ausgestaltet ist, das erste oder das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) in Abhängigkeit von der ersten und der zweiten Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) und dem Systemzustand und einer Steuerungshierarchie zu priorisieren, und die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) dazu ausgestaltet ist, das priorisierte Steuersignal (13, 40, 46) mittels eines protokollbasierten Datenlinks (34) auszugeben.
Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyselogik (16) als eine probabilistische Logik, insbesondere einem Bayesschen Filter und/oder einer temporalen Logik ausgestaltet ist, und dazu konfiguriert ist, zumindest die erste oder die zweite Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) zu ermitteln.
Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) ein Runtime-Monitoring-System (12) aufweist oder signaltechnisch mit einem Runtime-Monitoring-System (12) verbunden ist, um eine Zustandsinformation (11) und/oder eine Missionsinformation des Fluggerätes zu erfassen.
Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) signaltechnisch mit einer Datenbank (22) verbunden ist, um die Steuerungshierarchie in Abhängigkeit des Systemzustandes und/oder der ersten und der zweiten Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) aus einer Vielzahl an Steuerungshierarchien auszuwählen.
Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) als räumlich verteilte und/oder kaskadierte Subsysteme (50, 51, 52) ausgestaltet ist und/oder die Signalauswahlvorrichtung signaltechnisch mit einer untergeordneten Signalauswahlvorrichtung (51, 52) verbunden ist, um zumindest das erste oder das zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) zu empfangen und/oder die Signalauswahlvorrichtung signaltechnisch mit einer übergeordneten Signalauswahlvorrichtung (47, 50) verbunden ist, um das priorisierte Steuersignal (13, 40, 46) auszugeben.
Fluggerät (1), insbesondere elektrisch betriebenes Fluggerät, mit einem Steuergerät (14), insbesondere einem Flight-Control-Computer, wobei das Steuergerät (14) dazu ausgestaltet ist, zumindest ein externes Steuersignal (13, 40, 46, 48) zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät eine Signalauswahlvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 umfasst.
Fluggerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (1) als senkrecht startendes und landendes Fluggerät, insbesondere als unbemanntes, senkrecht startendes und landendes Fluggerät ausgebildet ist.
Fluggerät nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluggerät (1) einen Flugschreiber (15) umfasst, der mit dem Steuergerät (14) und/oder mit der Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) signaltechnisch verbunden ist und der Flugschreiber (14) dazu ausgestaltet ist, zumindest das erste und zweite Steuersignal (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) und/oder das priorisierte Steuersignal (13, 40, 46, 48), die Zuverlässigkeitsinformation (17, 18, 19, 20) und den Systemzustand mit einem jeweils zugehörigen Zeitstempel und/oder einer Ereignisinformation zu speichern.
Bodenstation (10,24,26) mit einer Steuerungsvorrichtung zur Fernsteuerung eines Fluggerätes (1), wobei die Steuerungsvorrichtung dazu ausgestaltet ist, eine Fernsteuereingabe (9) eines menschlichen Piloten und/oder eines Autopiloten in Form eines ersten oder eines zweiten Steuersignals (3, 5, 7, 9, 35, 37, 41, 43) an eine Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13 ausgestaltet ist.
Flugsystem, umfassend ein bemanntes oder unbemanntes Fluggerät (1) mit einem Steuergerät (14), eine Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) und mindestens eine Bodenstation (10,24, 26), wobei das Steuergerät (14) des Fluggerätes (1) signaltechnisch zumindest mit der Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) verbunden ist und die Bodenstation (10, 24, 26) signaltechnisch zumindest mit der Signalauswahlvorrichtung (2,39,45,47,50) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswahlvorrichtung (2, 39, 45, 47, 56) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13 ausgestaltet ist.