Was autonomes Fliegen wirklich ist und wie es gelingen kann

Der Markt für kommerzielle Drohnen – oder unbemannte Luftfahrzeuge – wächst jährlich um 14 Prozent. Und das nicht ohne Grund: Ein ferngesteuertes Flugzeug ist für viele Szenarien einfacher, sicherer und billiger als ein Flugzeug mit Pilot an Bord. Ganz zu schweigen davon, dass es schlicht kleiner sein kann als ein bemanntes Flugzeug.

Neben dem bekannten Potenzial von Drohnen für militärische Zwecke oder auch für die Paketzustellung, eignen sich unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) ohne Pilot zum Beispiel auch

• für das industrielle Umfeld
• die Inspektion von Brücken
• die Überwachung der Stromversorgung
• die Überprüfung von landwirtschaftlichen Flächen oder beim Spritzen von Getreide
• und auch im Bereich der urbanen Luftmobilität (UAM). Durch den überfüllten Luftraum und Verkehrsstaus steigt die Nachfrage nach kleineren Flugzeugen, die auf engstem Raum starten und landen können.

Vor allem das Segment der vertikalen Start- und Landeflugzeuge ( Vertical Takeoff and Landing - VTOL) erlangt heute zunehmend Aufmerksamkeit und ist Thema für Investitionen im autonomen Fliegen. Führende Luft- und Raumfahrt-Unternehmen, wie Airbus, Rolls-Royce und Bell, entwickeln Produktlösungen in der Hoffnung, vom Marktpotenzial zu profitieren, das laut der Technologieberatung Booz Allen schon bald die 500-Milliarden-Dollar-Marke knacken wird. Und auch Boeing hat erst Anfang 2019 ein autonomes Flugtaxi ohne Pilot getestet. Da viele dieser Flugzeuge an Bord zwei oder vier Passagiere befördern sollen, würde der Verzicht auf einen Piloten die Nutzlastkapazität um 25 bis 50 Prozent erhöhen – ein entscheidender Kostenvorteil.

Die Entwicklung vollständig autonomer VTOL-Flugzeuge bringt jedoch erhebliche technische Herausforderungen mit sich. Sie müssen ohne menschliche Hilfe in jedem möglichen Szenario sicher funktionieren. Sie müssen den schwierigen Übergang vom vertikalen zum horizontalen Flug unter allen denkbaren Wetterbedingungen meistern. Und sie müssen die physikalische Umgebung genau erfassen, damit sie ein visuelles Phänomen - wie eine Lichtreflexion - zuverlässig von potenzieller Gefahr - wie einem Vogelschwarm - unterscheiden können. Für den Fall von unvorhergesehenen Ereignissen - zum Beispiel, dass eine Komponente ausfällt - ist es außerdem essenziell, dass Software-Systeme die Systemintegrität schützen.

Die Entwicklung eines autonomen VTOL-Flugzeugs ist daher eine komplexe Aufgabe, bei der Physik, Elektronik, Optik, eingebettete Systeme und Steuerungssoftware zusammengeführt werden müssen. Ingenieure müssen folgende Aufgaben deshalb gewissenhaft erfüllen:

• Millionen von Betriebsszenarien simulieren und testen, einschließlich der Animation des VTOL-Flugzeugs und seiner Umgebung
• Sensoren entwickeln und testen, die die Umgebung des Flugzeugs während des Fliegens beobachten und entsprechende Ausgangssignale liefern
• Software-Algorithmen und eingebettete Systeme definieren, die die Eingabe prüfen, Entscheidungen treffen und das Verhalten daraufhin akkurat steuern
• Funktionale Sicherheit des Flugzeugs auf Systemebene gewährleisten, indem alle potenziellen Fehlermodi identifiziert und behandelt werden

Angesichts der Komplexität der Technik und dem Bestreben, autonome VTOL-Fahrzeuge schnell zu kommerzialisieren, ist die simulationsgesteuerte Entwicklung der einzige Weg. Mit einer neuen Software des Simulations-Spezialisten Ansys können VTOL-Flugzeuge sowohl auf Komponenten- als auch auf Systemebene simuliert werden. Dabei wird eine strenge Kontrolle und die Einhaltung aller relevanten behördlichen Normen gewährleistet. Die Software bietet dem autonomen Fliegen eine vollständige Simulationsumgebung. Sie enthält virtuelle Modelle der Welt und Betriebsszenarien, Simulationen der Fahrzeugdynamik sowie physikalisch genaue Sensormodelle, Embedded-Software-Entwicklungstools und Analysen zur funktionalen Sicherheit.

Zusätzlich hilft Virtual Reality dabei, das Flugerlebnis für Passagiere zu optimieren. Ein Schlüssel für die breite Akzeptanz von autonomen Fahrzeugen unter Menschen und den Aufbau von Vertrauen, ist die Überwindung ihrer Ängste. Durch die Nachstellung der User Experience in einer virtuellen Umgebung kann Simulation dazu beitragen, eine positive Erfahrung zu gewährleisten, die das autonome Fliegen ohne Pilot zu einem attraktiven Angebot für Verbraucher macht. Durch die Nutzung dieser integrierten Funktionen können die Entwickler von VTOL und anderen autonomen Flugzeugen in Zukunft den Zeit- und Kostenaufwand für die Einführung sicherer und zuverlässiger Konstruktionen erheblich reduzieren.

Durch ihre einzigartige Funktionalität bringen autonome VTOL-Flugzeuge zusätzliche technische Herausforderungen mit sich. Um die komplexe Fluiddynamik bei vertikalen Starts und Landungen genau zu simulieren, bietet Ansys Fluent kundenspezifische Funktionen. Um die Zuverlässigkeit der Technik über Jahre und Tausende von Flugmeilen hinweg zu gewährleisten, ist eine sehr detaillierte Simulation bestimmter physikalischer Umgebungen nötig. Über einen geschlossenen Regelkreis können Ingenieure alle Wechselwirkungen des autonomen Flugzeugs mit seiner Umgebung, einschließlich aller physischen Kräfte und Hindernisse, in Millionen von Betriebsszenarien prüfen.

Die Ergebnisse, die Ingenieure aus dem Closed-Loop-Flugsimulationsprozess gewinnen, sorgen für ein viel besseres Verständnis dafür, wie das Fahrzeug konstruiert werden muss, um die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften zu gewährleisten und Kundenerwartungen zu erfüllen. Basierend auf realistischen Betriebsbedingungen trifft das simulierte autonome Fahrzeug die gleichen zuverlässigen Entscheidungen wie das zukünftige real vernetzte Fahrzeug.

Darüber hinaus ermöglicht eine spezielle Software die Simulation aller in ein VTOL-Flugzeug integrierten optischen Sensoren. Autonome Fahrzeuge benötigen eine zunehmende Anzahl optischer Sensoren, darunter Kameras für die Erkennung von sichtbarem und infrarotem Licht sowie Lidar-Systeme für eine dreidimensionale 360-Grad-Sicht der Betriebsumgebung.

Die optische Simulationssoftware Ansys Speos validiert die Leistung der optischen Sensoren durch eine physikbasierte Simulation, die die tatsächliche Leistung genau wiedergibt. Mithilfe der Software können Ingenieure eine detaillierte physikalische Simulation von optischen Kameras und Lidar durchführen. Dabei werden optische Linsen, Bildgeber, Mechaniken, Sensoren, Materialien und Lichteigenschaften sowohl bei sichtbaren als auch bei nicht sichtbaren (IR) Wellenlängen berücksichtigt sowie die Zusammenführung von Bildern, die mit mehreren Kameras aufgenommen wurden. Speos simuliert zudem die Installation der Technik im Flugzeug über Reduced Order Modeling (ROM) der Kameras und Lidar, wenn sie in die tatsächlichen Betriebsszenarien integriert sind. Diese Simulationen replizieren die erfassten Bilder genau, so dass Sensoren entwickelt werden können, um komplexe optische Faktoren wie Sonnenblendung und Reflexionen beim Fliegen zu identifizieren.

Ansys HFSS kann auf ähnliche Weise zur Bewertung und Überprüfung der Leistung von Radarsensoren sowie anderer Antennensysteme verwendet werden, die an einem VTOL-Flugzeug angebracht sind.

Nachdem die Daten von den Sensoren erfasst wurden, müssen die autonomen Flugzeuge jetzt so programmiert werden, dass als Reaktion die richtigen Maßnahmen ergriffen werden. Hier kommt Embedded Software ins Spiel. Unter Verwendung von maschinellem Lernen und Steuerlogik bestimmt sie einen Flugplan und führt diesen aus, indem die Aktuatoren des Fahrzeugs angesteuert werden. Diese Kontrollschleife wird zyklisch wiederholt, damit das Fahrzeug auf ständige Umgebungsänderungen reagieren kann.

Mithilfe des KCG-Code-Generators der Ansys SCADE Suite ist es möglich, Codes aus Softwaremodellen für autonome Fahrzeuge automatisch zu generieren. Der KCG-Code-Generator erfüllt die strengsten Luft- und Raumfahrtnormen und gewährleistet den sicheren Betrieb von VTOL-Flugzeugen unter allen Betriebsbedingungen.

Es ist möglich, durch Simulation der Flugszenarien im geschlossenen Kontrollkreis zu überprüfen, ob Änderungen in der Steuerungssoftware wie erwartet ausgeführt werden und sie keine Regression verursachen. Durch die Verwendung von SCADE zum Generieren einer Steuerungsarchitektur und des zugrunde liegenden Codes können Softwareentwickler den Zeit- und Kostenaufwand für die Validierung und Zertifizierung ihrer eingebetteten Systeme drastisch reduzieren.

Der letzte Schritt bei der Entwicklung der VTOL-Flugzeuge besteht darin, zu garantieren, dass alle Komponenten sicher und zuverlässig als System zusammenarbeiten. Alle Fehlermodi müssen identifiziert und geeignete Reaktionen darauf definiert werden. Die Analyse der funktionalen Sicherheit ist quasi das Cockpit für den gesamten Entwicklungsprozess und stellt sicher, dass das Design auf Systemebene sicher ist und alle relevanten Standards der Luft- und Raumfahrtindustrie erfüllt werden.

Ansys medini analyse befasst sich mit der funktionalen Sicherheit und hat sich bereits in vielen Automobil- und Luftfahrtapplikationen bewährt. Während für VTOL-Fahrzeuge noch keine spezifische Luft- und Raumfahrtnorm entwickelt wurde, erfüllt medini analyse die Norm ARP 4761, die vorsieht, dass Flugsicherheitsingenieure die Sicherheit von Flugzeugsystemen prüfen und bewerten, indem sie relevante Gefährdungen und Ausfallarten für alle elektronischen Komponenten ermitteln. Darüber hinaus kann der neue SOTIF-Standard, der derzeit für autonome Autos entwickelt wird, als Grundlage für die Bewertung derart komplexer Technik verwendet werden, einschließlich der Sensoren und KI-basierter Wahrnehmung.

Während viele Produktentwickler die Analyse der funktionalen Sicherheit als separate manuelle Aktivität implementieren, fügt die integrierte Ansys-Simulationsplattform diese geschäftskritische Aufgabe dem Closed-Loop-Prozess hinzu. Durch die Berücksichtigung als Teil der Systemarchitektur werden die zuverlässige Leistung und Branchenzertifizierung frühzeitig in das Flugzeugdesign integriert.

Autonome vertikale Start- und Landeflugzeuge ohne Piloten haben ein enormes Marktpotential, doch die Entwicklung birgt Herausforderungen, die es noch zu bewältigten gilt. Autonome VTOL-Flugzeuge vereinen Physik, Elektronik, Optik, eingebettete Software-Steuerung und funktionale Sicherheit und gehören heute zu den komplexesten Produktkonstruktionen. Da ihr sicherer Betrieb absolut notwendig ist, darf es bei ihrer Entwicklung keine Abkürzungen geben.

Die Simulation bietet die einzig praktikable Antwort und ersetzt jahrelange physikalische Tests und stundenlange Flugzeiten durch kostengünstige, risikoarme Simulation auf Systemebene. Durch das Testen von VTOL-Designs in einer hochdetaillierten, dreidimensionalen simulierten Umgebung können Ingenieure die sichere Leistung überprüfen – Sensoren, Software und andere hochentwickelte Komponenten eingeschlossen. Sie können Millionen von realen Betriebsszenarien für das autonome Fliegen nachbilden, ohne in Prototypen oder physikalische Tests zu investieren.

Mithilfe einer integrierten autonomen Fahrzeugentwicklungsplattform können Entwicklungsteams jedes VTOL-Fahrzeug mit jeder Sensorkombination und jedem Steuerungssystem in allen möglichen Betriebsszenarien schnell und kostengünstig simulieren. Dies ermöglicht es Ingenieuren, die Zeit und die finanziellen Investitionen, die erforderlich sind, um sowohl Leistungs- als auch Sicherheitsziele für das autonome Fliegen zu erreichen, erheblich zu reduzieren.