DE19521600A1

DE19521600A1 - Landeverfahren für unbemannte Luftfahrzeuge

Info

Publication number: DE19521600A1
Application number: DE19521600A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Hingst
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1996-12-19
Also published as: FR2735445B1; GB2302318A; GB2302318B; FR2735445A1; GB9611536D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Landeverfahren für Luftfahrzeuge, die mit einem Flugführungs-System, einem bildauflösenden Sensor und einem Bildverarbeitungs-System ausgerüstet sind.

Zur Luftaufklärung werden unbemannte Luftfahrzeuge als "Bilddrohnen" eingesetzt. Solche Bilddrohnen sind häufig mit einem auf infrarote Strahlung ansprechenden, bildauflösenden Sensor und einem Bildverarbeitungs-System versehen, um Ziele auch bei Nacht oder schlechten Sichtverhältnissen erkennen zu können.

Ein Problem bildet die Landung solcher unbemannter Luftfahrzeuge. Hierfür steht üblicherweise kein normales Flugfeld zur Verfügung. Nach dem Stand der Technik erfolgt bei solchen unbemannten Luftfahrzeugen die Landung mittels eines Fallschirms und aufschlagdämpfender Luftkissen.

Es sind auch komplizierte, senkrechtstartende, unbemannte Luftfahrzeuge bekannt. Dabei wird für den Antrieb so viel Gewicht und Raum benötigt, daß die Reichweite oder die Nutzlast des Luftfahrzeuges stark begrenzt wird.

Bei anderen unbemannten Luftfahrzeugen erfolgt die Landung mittels Funkfernsteuerung. Das erfordert hochqualifiziertes Bodenpersonal. Die Landung erfordert eine ausreichend große Landebahn. Weiterhin kann die Landung nur bei Tageslicht erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Landeverfahren für Luftfahrzeuge, insbesondere unbemannte Luftfahrzeuge der vorstehend erwähnten Art zu schaffen, das

- ein Landen des Luftfahrzeugs auf einem einfach herzurichtenden Landefeld gestattet und
- automatisch und ohne hohe Anforderung an das Bodenpersonal abläuft.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Luftfahrzeug der eingangs genannten Art mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst:

(a) Markieren eines Landefeldes mit Marken, die von dem Sensor erkennbar sind, in definierten relativen Positionen,
(b) Bestimmung der Lage dieser Marken in dem von dem Sensor erfaßten Gesichtsfeld,
(c) Bestimmung von Anflug-Parametern mittels des Bildverarbeitungs-Systems aus den Lagen der Marken in dem Gesichtsfeld und
(d) Aufschalten der so bestimmten Anflug-Parameter auf das Flugführungs-System zur Führung des Luftfahrzeuges zur Landung auf dem Landefeld.

Nach der Erfindung erfolgt somit eine normale Landung des Luftfahrzeugs z. B. auf einer Wiese. Das Luftfahrzeug kann dabei auf Kufen landen. Die Landefläche wird markiert. Die Markierung wird von dem bildauflösenden Sensor, etwa einer IR-Videokamera, beobachtet. Aus dem beobachteten Bild der Landefläche und den bekannten Abmessungen der Landefläche kann mittels des Bildverarbeitungs-Systems die Position und Lage des Luftfahrzeuges (Höhe, Elevation und Azimut) relativ zu der Landefläche und in bezug zu einem Aufsetzpunkt bestimmt werden. Der Azimutwinkel wird durch das Flugführungs-System auf null geregelt. Die Elevation bezogen auf den Aufsetzpunkt liefert dann einen Gleitbahnwinkel. Dieser Gleitbahnwinkel wird dann als Elevationswinkel eingeregelt. Damit wird das Luftfahrzeug zu dem Aufsetzpunkt geführt. In vielen Fällen ist das unbemannte Luftfahrzeug sowieso für Luftaufklärungszwecke mit einem bildauflösenden Sensor versehen. Dieser Sensor kann dann für das Landeverfahren ausgenutzt werden.

Wenn das Landefeld durch infrarot emittierende Marken markiert ist und der Sensor des Luftfahrzeugs auf infrarote Strahlung anspricht, dann ist eine Landung auch im Dunklen möglich. Das Landefeld ist für einen Gegner nicht sichtbar, sofern er nicht ebenfalls über einen infrarotempfindlichen Sensor verfügt.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung und veranschaulicht das Heranführen des unbemannten Luftfahrzeuges an die Landerichtung.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Landefläche und zeigt die Bedeutung der verschiedenen Bezeichnungen.

Fig. 3 zeigt eine schräg zur Längsrichtung der Landefläche anfliegendes, unbemanntes Luftfahrzeug.

Fig. 4 zeigt das bei der Lage und Position des Luftfahrzeuges von Fig. 3 von einem in dem Luftfahrzeug angeordneten, auf infrarote Strahlung ansprechenden Sensor erfaßte Bild, wobei in das Bild Maße eingezeichnet sind, die für die Bildverarbeitung verwendet werden.

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht des Landefeldes und des Flugzeugs im Landeanflug.

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm und zeigt schematisch den Sensor, das Bildverarbeitungs-System und das Flugführungs-System.

Fig. 7 zeigt das von dem Sensor aus einer Entfernung von 900 m erfaßte Bild der Landefläche.

Fig. 8 zeigt das von dem Sensor aus einer Entfernung von 200 m erfaßte Bild der Landefläche.

Fig. 9 zeigt das von dem Sensor aus einer Entfernung von 25 m erfaßte Bild der Landefläche.

In Fig. 1 ist ein in eine Landschaft eingebettetes Landefeld 10 dargestellt. Das Landefeld 10 ist langgestreckt- rechteckig und auf einer im wesentlichen ebenen Fläche 12, z. B. einer Wiese oder einem Feld, durch vier Marken 14, 16, 18, 20 abgesteckt. Die Marken 14, 16, 18 und 20 sind beheizte Platten oder Halbkugeln, welche infrarote Strahlung aber kein sichtbares Licht emittieren. Die beiden Marken 14 und 16 definieren eine anflugseitige Schmalseite des Landefeldes. Die beiden Marken 18 und 20 definieren eine der Anflugseite abgewandte Schmalseite des Landefeldes. Mit 22 ist eine Längsmittellinie des Landefeldes 10 bezeichnet. Auf der Längsmittellinie 22 in der Mitte zwischen den beiden anflugseitigen Marken 14 und 16 ist eine fünfte Marke 24 in Form eines Lande-T oder Landekreuzes angeordnet.

Ein unbemanntes Luftfahrzeug 26, z. B. eine Bilddrohne, fliegt längs einer Bahn 28. Das Luftfahrzeug 26 wird bis zu einem Punkt "X" durch die für seine Mission vorgesehenen Navigationsmittel wie Satelliten-Navigation (GPS), Trägheitsnavigation oder Richtfunk gelenkt. Im Punkt "X" faßt ein in dem Luftfahrzeug 26 vorgesehener bildauflösender Sensor das Landefeld 10 auf. Durch ein ebenfalls in dem Luftfahrzeug 26 vorgesehenes Bildverarbeitungs-System wird das Luftfahrzeug 26 zum Punkt "Y" ungefähr in Landerichtung geführt. Der Landepunkt ist anhand des Lande-T 24 erkennbar, das auf der anflugseitigen Schmalseite des Landefeldes 10 angeordnet ist. Die Landerichtung ergibt sich aus der Verlängerung der durch das Lande-T 24 gehenden Längsmittellinie 22.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Landefeld 10. Die Länge A-B der anflugseitigen Schmalseite des Landefeldes 10 zwischen den Marken 14 und 16 ist B_L. Die Länge D-C der der Anflugseite abgewandten Schmalseite des Landefeldes zwischen den Marken 18 und 20 ist b_L. Dabei ist B_L = b_L. Die Länge der Längsseiten des Flugfeldes 10 ist L_L.

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung des Landefeldes 10 und des unbemannten Luftfahrzeuges 26. Das Luftfahrzeug 26 befindet sich von dem Lande-T 24 aus gesehen auf einer Sichtlinie 30, die mit der Längsmittellinie 22 einen Winkel α bildet. Die Projektion der Sichtlinie 30 auf die Horizontalebene bildet mit der Längsmittelebene 22 einen Winkel α′.

Fig. 4 zeigt das Bild, das bei dieser Konfiguration von dem bildauflösenden Sensor des Luftfahrzeuges 26 "gesehen" wird. Dieses Bild ist perspektivisch: Die beiden parallelen Längsseiten A-D und B-C des Rechtecks und die Längsmittelebene 22 schneiden sich in der Perspektive in einem Fluchtpunkt 32. Das Bild der anflugseitigen Schmalseite A-B ist länger als das Bild der der Anflugseite abgewandten Schmalseite D-C. Die Länge des ersteren Bildes ist B_i, die Länge des letzteren Bildes ist b_i. Der Abstand der im wesentlichen parallel erscheinenden Bilder der beiden Schmalseiten, senkrecht zur Richtung dieser Bilder gemessen, ist mit h_i bezeichnet. In Fig. 4 ist weiterhin punktiert die Sichtlinie von dem Luftfahrzeug zu dem Lande-T 24 eingezeichnet.

Aus der Schräglage der Längsmittellinie 22 in dem Bild von Fig. 4 ist erkennbar, daß das unbemannte Luftfahrzeug 26 sich noch seitlich von dieser Längsmittellinie 22 befindet. Hieraus kann durch das Bildverarbeitungs-System ein Lenksignal abgeleitet werden, welches auf das Flugführungssystem aufgeschaltet wird und das Luftfahrzeug 26 in eine die Längsmittelebene 22 enthaltende Vertikalebene bringt und das Luftfahrzeug in dieser Ebene hält.

Es ergibt sich dann eine Situation, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist.

Das Luftfahrzeug 26 befindet sich im wesentlichen in einer durch die Längsmittellinie 22 des Landefeldes 10 gehenden Vertikalebene. Seine Höhe über Grund ist H_u. Der horizontale Abstand des Luftfahrzeugs 26 von dem Lande-T 24 ist X_u. Der Elevationswinkel, unter welchem das Luftfahrzeug 26 von dem Lande-T aus gesehen wird, und damit der Gleitpfad-Winkel des Gleitpfades 34, dem das Luftfahrzeug 26 zum Aufsetzen am Lande-T 24 folgen muß, ist mit β bezeichnet. Diese Parameter lassen sich aus dem vom Sensor empfangenen Bild (Fig. 4) des bekannten Landefeldes 10 bestimmen. Es ist:

Diese Werte werden auf das Flugführungs-System des unbemannten Luftfahrzeugs 26 aufgeschaltet. Das Flugführungs-System hält über die Schubeinstellung und/oder Störklappen den Gleitwinkel β konstant. Dabei werden die Einflüsse von Gegen- oder Rückenwind durch die Schubeinstellung bzw. das Ausfahren von Störklappen automatisch berücksichtigt. Dadurch wird das Luftfahrzeug 26 auf das Lande-T 24 geführt. Das Luftfahrzeug 26 setzt mit Kufen 36 auf. Vor dem Erreichen des Lande-T 24 kann gesteuert von der Höhen- oder Entfernungsinformation ein Abfangvorgang eingeleitet werden, um ein weicheres Aufsetzen des Luftfahrzeugs auf das Landefeld zu erreichen.

Fig. 6 ist ein Blockdiagramm und zeigt den Sensor 38, das Bildverarbeitungs-System 40 und das Flugführungs-System 42.

Der Sensor 38 ist ein auf Infrarot-Strahlung ansprechender, bildauflösender Sensor nach Art einer Videokamera. Das Bildverarbeitungs-System 40 ist darauf eingerichtet, in dem Gesichtsfeld die Marken zu erkennen und zu identifizieren und die Abstände der so erkannten Marken sowie die Richtung der Längsmittellinie 22 in dem Bild zu bestimmen. Die Richtung der Längsmittellinie liefert Maß für die seitliche Abweichung des Luftfahrzeuges 26 von der durch die Längsmittellinie 22 gehenden Vertikalebene. Das Flugführungs-System regelt über das Seitenruder die Bahn und Lage des Luftfahrzeuges so, daß in dem vom Sensor erfaßten Bild der Winkel α im wesentlichen null wird und die Längsmittelebene 22 in der Mitte und senkrecht in dem Bild von Fig. 4 verläuft. Das Bildverarbeitungs-System 40 liefert weiterhin den Gleitwinkel β. Das Flugführungs system hält diesen Winkel β dann über die Schubeinstellung und Störklappen konstant.

Fig. 7 bis 9 zeigen die bei der Landung nacheinander von dem bildauflösendem Sensor erfaßten Bilder eines Landefeldes 10 mit einer Ausdehnung von 15 m × 100 m aus Entfernungen von 900 m, 200 m und 25 m. Aus Fig. 9 ist erkennbar, daß im Endstadium des Landeanflugs nicht mehr das gesamte Landefeld 10 von dem Sensor erfaßt wird sondern die vorderen Ecken von der Bildbegrenzung abgeschnitten sind. In der obigen Gleichung für den Elevationswinkel β erscheinen jedoch nur die Größen b_i und h_i, also die in dem Bild erscheinende Breite der hinteren Schmalseite des Landefeldes 10 und die im Bild erscheinende Länge des Landefeldes 10 gemessen längs der Längsmittellinie 22. Diese Größen sind auch dem Bild von Fig. 9 noch zu entnehmen. B_L und L_L sind bekannte, vor dem Start eingegebene Parameter. Das beschriebene Landeverfahren funktioniert daher auch in der Endphase des Landeanfluges, wenn der Sensor nicht mehr das gesamte Landefeld "sieht".

Daraus ergibt sich wiederum, daß für die Markierung des Landefeldes nur drei Marken ausreichen, um das Luftfahrzeug 26 längs des Gleitpfades 34 zu führen, nämlich die beiden hinteren Marken 18 und 20 und das Lande-T 24. Statt des Lande-T kann dabei ggf. eine normale Marke verwendet werden, die mit den Marken 14 bis 20 konstruktiv übereinstimmt.

Das beschriebene Landeverfahren gestattet den Einsatz von unbemannten Luftfahrzeugen auch bei Dunkelheit oder schlechter Sicht.

Claims

1. Landeverfahren für Luftfahrzeuge (26), die mit einem Flugführungs-System (42), einem bildauflösenden Sensor (38) und einem Bildverarbeitungs-System (40) ausgerüstet sind, mit den Verfahrenschritten

(a) Markieren eines Landefeldes (10) mit Marken (14, 16, 18, 20, 24), die von dem Sensor (38) erkennbar sind, in definierten relativen Positionen,
(b) Bestimmung der Lage dieser Marken (14, 16, 18, 20, 24) in dem von dem Sensor (38) erfaßten Gesichtsfeld,
(c) Bestimmung von Anflug-Parametern mittels des Bildverarbeitungs-Systems (40) aus den Lagen der Marken (14, 16, 18, 20, 24) in dem Gesichtsfeld und
(d) Aufschalten der so bestimmten Anflug-Parameter auf das Flugführungs-System (42) zur Führung des Luftfahrzeuges (26) zur Landung auf dem Landefeld (10).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Landefeld (10) durch infrarot emittierende Marken (14, 16, 18, 20, 24) markiert ist und der Sensor (38) des Luftfahrzeugs (26) auf infrarote Strahlung anspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Landefeld (10) durch vier Marken (14, 16, 18, 20) ein Rechteck markiert wird, dessen Abmessungen vor der Mission als Parameter in das Bildverarbeitungs-System (40) des Luftfahrzeugs (26) eingegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte zwischen den die anflugseitige Schmalseite des Rechtecks bestimmenden Marken (14, 16) eine fünfte Marke (24) angeordnet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Marke (24) als Landekreuz oder Lande-T ausgebildet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet daß aus dem Sensorbild die Entfernung X_u des Luftfahrzeugs (26) von dem Aufsetzpunkt und der Gleitpfadwinkel β nach den Beziehungen bestimmt wird, wobei
B_L die Breite des Landefeldes (10),
L_L die Länge des Landefeldes (10),
B_i die Breite der anflugseitigen Schmalseite des Landefeldes (10) in dem vom Sensor (38) erfaßten Bild,
b_i die Breite der der Anflugrichtung abgewandten Schmalseite des Landefeldes (10) in dem vom Sensor (38) erfaßten Bild und
h_i der Abstand der Schmalseiten in dem vom Sensor (38) erfaßten Bild ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftfahrzeug unbemannt ist.