Multi-Agenten-Systeme für die Formations- und Kopplungsregelung von Verbundflugzeugen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Steffi Knorn; Professor Dr.-Ing. Alexander Köthe
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554941770

Um unbemannte Luftfahrzeuge als Höhenplattformen komplementär zu Satelliten zu nutzen, müssen sie über lange Zeiträume in großer Höhe operieren. Da Solarenergie als einzige Energiequelle begrenzt ist, müssen diese Luftfahrzeuge einen geringen aerodynamischen Widerstand aufweisen, was durch eine große Streckung bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten erreicht wird. Obwohl sie in der Stratosphäre mit geringeren atmosphärischen Störungen operieren, müssen sie die turbulente Troposphäre durchqueren, was eine steife Struktur erfordert und somit das Strukturgewicht und den Energieverbrauch erhöht, was der Nutzung als Höhenplattform entgegensteht. Eine Lösung für diese Limitierung bietet das Konzept des Verbundflugzeugs. Dieses besteht aus mehreren Einzelflugzeugen mit geringer Streckung, die einzeln in die Stratosphäre fliegen und dort zu einer Formation koppeln. Die mechanischen Verbindungen zwischen den Flugzeugen verhindern die Übertragung von Strukturlasten. Der aktuelle Stand der Technik umfasst die flugdynamische Modellierung und zentrale Regelung des Verbunds, jedoch sind der Kopplungsvorgang und die dazugehörige Regelung noch unerforscht. Dieses Forschungsprojekt zielt im ersten Schritt darauf ab, ein mathematisches Modell für den Kopplungsprozess eines Verbunds aus n Einzelflugzeugen zu entwickeln. Zunächst wird ein aerodynamisches Modell erstellt, das die Interaktionen zwischen einem Verbund aus m Flugzeugen und einem anzukoppelnden Flugzeug abbildet. Das aerodynamische Modell wird zusammen mit weiteren bekannten kinetischen und kinematischen Modellen in einem Multi-Agenten-System (MAS) beschrieben, um eine Modellierungsgrundlage zu schaffen. Diese Modellierungsgrundlage ermöglicht den Wechsel von einem zentralen auf einen dezentralen Regelungsansatz. Dabei besitzt jedes Einzelflugzeug einen eigenen Regler, der Informationen mit seinem Nachbarn austauscht, um einen Single-Point-of-Failure zu vermeiden und den sicheren, skalierbaren Betrieb der Verbundflugzeuge zu gewährleisten. Das Konzept der dezentralen Regelung wird zunächst auf den Verbund angewendet und mit dem zentralen Regelungsansatz verglichen. Anschließend wird es auf den Kopplungsvorgang übertragen, wodurch eine Lücke im Stand der Technik geschlossen und der Einsatz von Verbundflugzeugen als Höhenplattformen ermöglicht wird. Eine Trajektorie für ein Einzelflugzeug wird definiert, um möglichst energieeffizient an einen Verbund oder ein Einzelflugzeug anzukoppeln. Die Trajektorie wird durch eine Kombination aus Vorsteuerung und Regelung abgeflogen. Zur Validierung der Ergebnisse wird eine hochgenaue Simulationsumgebung geschaffen, in der die Regelung des Verbundflugs und des Kopplungsvorgangs getestet wird. Nichtlineare Simulationsergebnisse ermöglichen es, Rückschlüsse auf die Methoden, Modelle und Ergebnisse zu ziehen, um die Forschungsergebnisse weiter zu verbessern und die entwickelten Modellierungsansätze und Regelungsstrategien zu bestätigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande, USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Bart Besselink; Professor Dr. Carlos Cesnik