Konstruktion, Modellierung und Regelung eines schubvektorgesteuerten Single-Copters

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion, Modellierung und Regelung eines schubvektorgesteuerten Single Copters. Zu Beginn werden einige konstruktive und fertigungstechnische Aspekte der Drohne beleuchtet und die Ideen hinter dem Entwurf der mechanischen und elektrischen Teilsysteme sowie Details zu den verwendeten Komponenten erläutert. Danach werden die systembeschreibenden Differentialgleichungen,basierend auf einer Kombination aus fundamentalen Sätzen der Physik (White Box) sowie rein datengetriebenen Modellierungsansätzen (Black Box) hergeleitet, alle Systemparameter identifiziert und das dabei erhaltene Gesamtmodell schließlich gegen aufgezeichnete Flugdaten validiert. Anschließend wird das zuvor gefundene Modell im regelungstechnischen Sinne analysiert und für die weitere Verwendung aufbereitet. Basierend auf den in der Modellbildung und -analyse gewonnenen Erkenntnissen wird eine kaskadierte Orientierungsregelung, bestehend aus einer quaternionenbasierten (Lage-)Winkelregelung sowie einer unterlagerten exakt eingangs-ausgangs-linearisierenden Winkelgeschwindigkeitsregelung entworfen. Für den verbleibenden Freiheitsgrad der Höhe wird eine Regelung entworfen, die ebenfalls Konzepte der nichtlinearen Regelungstechnik mit einer klassischen PID-Regelung kombiniert. Anschließend wird die Regelung um eine flachheitsbasierte Vorsteuerung der kinematischen Größen zu einer Zwei-Freiheitsgrad-Regelung erweitert. Zudem wird gezeigt, dass es sich beim Single-Copter um ein differentiell flaches System handelt, sich die Idee der flachen Parametrierung somit bis hin zu den Stellgrößen verfolgen lässt. Im Anschluss werden einige Aspekte die Wahl der Reglerparameter betreffend erläutert und die entworfene Regelung hinsichtlich Performanz, Stabilität und Robustheit für ausgewählte Störungen und Parametervariationen untersucht. Zudem wird gezeigt, dass die entworfene Regelung der weit verbreiteten Open-Source-Software ArduPilot in sämtlichen untersuchten Aspekten überlegen ist. Abschließend sind einige Ideen für weiterführende Arbeiten angeführt.

This thesis deals with the design, modelling and control of a ducted fan UAV with a single impeller, also referred to as Single Copter. In the scope of this work such a Single Copter was developed and deployed. For simulation and control design a mathematical model based on basic principles of physics as well as black box modelling techniques is derived and the necessary parameters identified. Subsequently, the found set of nonlinear differential equations was validated using recorded data from flight tests. Following the gained insights an appropriate control law is designed. The proposed hierarchical attitude controller combines a high-level quaternion-based controller with a low-level angular velocity control loop using feedback linearization. The altitude controller also combines nonlinear control concepts with classical PID-control. Following the idea of differential flatness, the attitude controller is expanded to a two degrees of freedom control by means of adding angular velocity and acceleration feedforward terms. It is shown that this idea can be expanded even further and the system inputs can be (pre-)computed from a desired trajectory. Finally the proposed controller is tested via means of simulation for a set of test trajectories as well as recorded flight data and compared to the widely used, open-source drone software ArduPilot. It is shown that the designed control law performs better in all test cases. At the end of this thesis some ideas regarding further research are outlined.