Rizikové plánování trajektorií pro městskou leteckou mobilitu s uvažováním více poruch

Abstract

Mechanická porucha v průběhu letu představuje zásadnı́ rizko nejen pro posádku letadla, ale také pro lidi na zemi. Je proto žádoucı́, aby při plánovánı́ trajektoriı́ pro letadla v městkém prostřenı́ bylo toto riziko zohledněno. V této práci je navržen plánovač, který minimalizuje rizika daná mechanickými poruchami letadla. Minimalizováno je riziko fatálnı́ poruchy, která vede ke ztrátě kontroly nad letadlem, a riziko částečné poruchy, která má za důsledek závažné omezenı́ manévrovacı́ch možnostı́ letadla. Takovou částečnou poruchou může být napřı́klad ztráta tahu v důsledku porchu motoru. Navrhovaná metoda buduje strom nouzových přistánı́, který může poté být opakovaně použit pro naplánovánı́ nejlepšı́ho dostupného nouzového přistánı́ a pro odhad rizika, které je s takovým nouzovým přistánı́m spojené. Výpočet tohoto stromu stojı́ na diskretizaci stavového prostoru, dı́ky které je možné předpočı́tat všechny manévry, které jsou ve výpočtu použity, čı́mž se zásadnı́m způsobem snižuje výpočetnı́ náročnost celého algoritmu. Tento strom je poté použit ve výše zmı́něném rizikovém plánovači, kde je důležitou součástı́ výpočtu rizika. Obě tyto metody, strom nouzového přistánı́ a rizikový plánovač, byly otestovány na realistických datech. Navržený strom nouzovývh přistánı́ dokáže vyhodnotit rizika různých nouzových přistávacı́ch ploch a výpočet odhadu je dostatečně efektivnı́, aby mohl být použit v rizikovém plánovači. Dı́ky tomu dokáže navržený rizikový plánovač vyhodnocovat rizika spojená s různými částečnými poruchami a výsledné trajektorie v porovnánı́ s nejkratšı́mi výrazně snižujı́ riziko.An in-flight failure poses a risk to both the people on board the aircraft and the people on the ground. It is therefore desirable that the path planning takes into account the potential risk a failure poses. This work proposes a risk-aware trajectory planner, which is able to minimize the risk induced by a fatal failure, which leads to an uncontrollable crash, as well as the risk induced by partial failure, which leaves the aircraft controllable but severely inhibits its maneuvering capabilities. The method builds an emergency landing tree structure, which can then be repeatedly used to determine the best available emergency landing location and to evaluate the risk such an emergency landing poses. The emergency landing tree computation relies on a discretization of the configuration space, which allows for the use of precomputed maneuvers and overall significantly reduces the computational complexity. The emergency landing tree has been employed in the risk-aware path planner as an integral part of the risk function. Both the emergency landing planner and the risk-aware planner have been empirically evaluated in a realistic urban scenario. The proposed emergency landing tree is able to consider multiple emergency landing locations with different risks, and the risk estimate query has been shown to be efficient enough to be used in the risk-aware planner. Thanks to this, the risk-aware planner is able to evaluate the risk induced by several different partial failures, and the paths it produces have been shown to be significantly less risky than the shortest paths they have been compared with.