Modellidentifikation und Zustandsschätzung eines Hexacopters

Abstract

Diese Diplomarbeit widmet sich der Modellidentifikation und Zustandsschätzung eines Hexacopters, der auf einer Modifikation des kommerziell erhältlichen Mikrokopters Hexa XL aufbaut. Im Zuge der Arbeit wird mithilfe des Lagrange-Formalismus ein mathematisches Modell zur Beschreibung der Starrkörperdynamik des Hexacopters erstellt. Darüber hinaus werden die im Flug auftretenden aerodynamische Kräfte berücksichtigt. Im Speziellen wird dabei ausführlich auf die Modellierung und Vereinfachung des Blade-Flapping-Effekts eingegangen. Des Weiteren ist ein Messkonzept auf Basis eines Laserscanners und mehrerer Sonarsensoren erläutert, das die vollständige Erfassung der Position und Orientierung erlaubt. Der Hauptteil der Arbeit widmet sich der Formulierung und dem Vergleich verschiedener Beobachterkonzepte und deren Updatemethoden. Neben dem klassischen Extended Kalman-Filter wird auch eine Fusion mehrerer Filter beschrieben. Für rein kinematische Modelle werden das auf Quaternionen basierende Multiplikative Extended Kalman-Filter sowie das auf dualen Quaternionen basierende Dual Quaternion Extended Kalman-Filter vorgestellt. Darüber hinaus wird auch das nichtlineare Schätzkonzept des Cubature Kalman Filters erläutert. Im Zuge dieser Arbeit werden außerdem einfache Verfahren zur Identifikation essentieller Systemparameter behandelt. In umfangreichen Simulationsstudien und Flugversuchen werden sämtliche vorgestellten Beobachterkonzepte miteinander verglichen.

This thesis covers the model identification and state estimation of a hexacopter, which is based on a modification of the commercial Mikrokopter Hexa XL. In this work, the mathematical model of the rigid body dynamics of the hexacopter are derived by means of the Lagrange formalism. In addition aerodynamic effects are considered. Special focus is set on modeling and simplifying the blade-flapping effect. A measurement concept based on a laser scanner and sonar sensors is introduced, which covers the full acquisition of the position and orientation of the hexacopter. The main part of this thesis deals with different approaches for state estimation and their comparison. Also various update methods of these approaches are taken into account. The considered estimation methods include the typical extended Kalman filters, the fusion of a set of these filters and the nonlinear state estimation concept of the cubature Kalman filter. For pure kinematic models, the quaternion based multiplicative extended Kalman filter and the dual quaternion multiplicative extended Kalman filter are introduced. Moreover, simple methods for the identification of essential system parameters are presented. All estimation concepts are compared by extensive simulation studies and flight tests.