Browsing by Author "Wimmer, Dirk-Alexander"

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Beiträge zur Instrumentierung und Identifikation eines Kleinluftschiffes
(2008) Wimmer, Dirk-Alexander; Well, Klaus H. (Prof.)
Die Entwicklung moderner Luftschiffe und ihrer Steuerungs- und Regelungskonzepte erfordert exakte Modelle ihres dynamischen Verhaltens. Aus diesem Grund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Identifikation der Luftschiffdynamik. Die Basis bildet ein Modell der Flugdynamik, das am Institut für Flugmechanik und Flugregelung mit theoretischen Grundlagen und Windkanaldaten aufgebaut wurde. Das Ziel der Untersuchung ist die Überprüfung dieses Modells an Hand von Messdaten, die mit dem Forschungsluftschiff "Lotte" erflogen werden. Die nichtlinearen Gleichungen der Starrkörperdynamik und der Aerodynamik werden als Grundlage der Arbeit vorgestellt und für eine größere Nähe zur Realität vom Autor ergänzt. Dann erfolgt die Anpassung an das Luftschiff "Lotte" mit neuesten Windkanaldaten und Messdaten der Aktorik. Abgeschlossen wird die Modellvorstellung mit einer Diskussion der Parameter und der Modellunsicherheiten, welche als Startpunkt für spätere Untersuchungen der Dynamik in Bezug auf die Identifizierbarkeit der Parameter dient. Nach der Bestimmung der Bewegungsgrößen, die zur Identifikation und Regelung des Luftschiffes benötigt werden, erfolgt die Diskussion und Festlegung geeigneter Messsysteme und deren Kalibrierung. Die Integration der Systeme in "Lotte" durch Bereitstellung einer Infrastruktur zum Datenaustausch, zur Datenverarbeitung und zur Datenspeicherung an Bord des Luftschiffes wird detailliert dargestellt. Der Komplex Versuchsplanung und -durchführung wird besprochen und zeigt konkret Möglichkeiten und Grenzen bei Versuchen mit dem Luftschiff "Lotte" auf. Zum Abschluss des Themas Versuchsaufbau wird eine Simulationsumgebung vorgestellt, die zur Überprüfung der Bordsysteme, der Bodenstation und der anschließenden Datenverarbeitung dient. Vor der Präsentation der Versuchsergebnisse werden das Thema Identifikation, diverse Untersuchungen zur Identifizierbarkeit von Parametern und Festlegungen für die Identifikation der Luftschiffdynamik diskutiert. Mit einer Bahnrekonstruktion werden aus den Messdaten Trajektorien berechnet, die zunächst zur Windberechnung und dann zur Schätzung einiger Modellparameter dienen. Die Parameterschätzung wird mit einem Ausgangsfehlerverfahren unter Verwendung einer Maximum-Likelihood-Zielfunktion durchgeführt. Die identifizierten Parameter ermöglichen zusammen mit der vorhandenen Modellstruktur eine Simulation der Luftschiffdynamik, die die rekonstruierten Trajektorien gut reproduziert. Ein Vergleich der aerodynamischen Parameter mit den Ergebnissen aus dem Windkanal zeigt allerdings erhebliche Diskrepanzen, die im Rahmen der Arbeit nicht abschließend geklärt werden können. Weiter zeigen diese Daten auch Unterschiede von Flugversuch zu Flugversuch, die allerdings signifikant kleiner sind als die Unterschiede zu den Windkanaldaten. Eine ergänzende Diskussion zeigt Möglichkeiten zur Reduktion der festgestellten Unsicherheiten auf, sollte die dargestellte Vorgehensweise in anderen Projekten zum Einsatz kommen. Das Ergebnis der Arbeit ist, dass mit der vorgegebenen Luftschiffmodellstruktur die Trajektorien aus den Flugmessungen reproduziert werden können. Die angestrebte Validierung des Luftschiffmodells wurde nicht erreicht, da mit Parametern aus Luftschiffentwurf und Windkanal keine Simulation des realen Luftschiffverhaltens gezeigt werden konnte. Begründet wird dies mit Unsicherheiten in Teilmodellen oder Fehlern in der Modellierung.