06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
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Item Open Access Adaptive guidance and control of small unmanned aerial vehicles(2019) Souanef, Toufik; Fichter, Walter (Prof. Dr-Ing.)This dissertation focuses on adaptive guidance and control of small fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Small UAVs are very sensitive to wind. Furthermore, they are generally built with low-cost material which makes them prone to frequent faults and failures. On the other hand, limited avionic equipment reduce the possibility to elaborate and implement complicated guidance and control systems. All these reasons motivate the use of a control method that is robust to faults and disturbances and relatively simple for implementation, namely L1 adaptive control. First, an approach for L1 adaptive control is presented based on an adaptation law that borrows insights from the sliding mode control to estimate the unknown bounds of disturbances. Next, an approach of path-following for fixed-wing UAVs is developed considering the presence of wind disturbances. The key idea is to formulate the path-following of a fixed-wing UAV as a control problem in the presence of parametric uncertainties and external disturbances. Another contribution of this dissertation is the development of a method for fault tolerant control. The design is based on an L1 adaptive controller with a nominal reference model and a set of degraded reference models. In a degraded model the criteria of performance are reduced. Towards real flight tests, an approach for output feedback L1 adaptive control was designed. The main motivation is that the measure of the full state is not available on small UAVs. The proposed method is based on a state observer instead of the state predictor characteristic of L1 adaptive control. The main advantage is that a full state measurement can be avoided, and the design and the implementation of the controller are simplified.Item Open Access Entwicklung und Erprobung eines bordautonomen Flugführungskonzeptes für das Luftschiff ALUSTRA MOEWE(2016) Moisidis, Ioannis; Well, Klaus H. (Prof., Ph.D)Der heutige Einsatz von UAVs findet in vielen Bereichen statt. Deren Spektrum erstreckt sich von der zivilen Nutzung wie zum Beispiel bei Such- und Rettungsmissionen, Luftbildfotografie, industriellen Überwachungsaufgaben im Bereich Sicherheitsmanagement bis hin zu militärischen Einsätzen, wie Aufklärung, Überwachung, aber ebenso Kampfeinsätze. Im Rahmen des Forschungsvorhabens ALUSTRA MOEWE wird ein funktionsfähiges autonomes mit Helium befülltes Luftschiff aufgebaut, das als Kamera-Plattform für die 3DModellierung von Gebäuden und der Erdoberfläche zum Einsatz gelangen soll. Dazu werden Flugführungs- und Regelungstheorien zu einem durchgängigen Gesamtkonzept zusammengeführt, die es erlauben, unter Berücksichtigung der entsprechenden Gebäude beziehungsweise über die Landschaften fliegen und mittels einer digitalen Kamera Aufnahmen zu erstellen. Diese Aufnahmen sollen dann im Post-Processing für die Generierung der virtuellen Modelle herangezogen werden. Dieses Projektziel erfordert eine sehr geringe Trajektoriendynamik, damit die Aufnahmen keine Bewegungsunschärfe enthalten. Zudem ist die Anforderung an die Genauigkeit der geflogenen Trajektorie sehr hoch. Das dazu entwickelte Führungskonzept ist für diesen automatischen Abflug von Wegpunkten des eingesetzten Luftschiffs entwickelt worden. Bei dem hier ausgewählten Ansatz geht man vom Aufbau klar abgegrenzter funktioneller Prozesse und Abläufe aus. Der daraus resultierende, hierarchische, funktionsorientierte Architekturansatz ist in Form eines Drei-Ebenen-Architekturmodells realisiert. Die Modellbildung des Luftschiffes erfolgt als starrer Körper mit konstanter Masse sowie Trägheit. Das von Kämpf [15] übernommene Modell, mit modifiziertem Leitwerk auf ein Lambda Leitwerk, berücksichtigt in der Impulsbilanz keine internen Massenflüsse in den Differentialgleichungen. Vor der Reglerimplementierung wird die Dynamik des ungeregelten Luftschiffes eingehend untersucht. Dabei werden die erzielbaren Leistungen des Fluggerätes ebenso beachtet wie die Stabilitäts- und Steuereigenschaften, da diese die Grundlage für den Regelungsentwurf bilden und bereits a priori die maximal erreichbare Manöverleistung des Gesamtsystems definieren. Für den Reglerentwurf ist es notwendig, Anforderungen aus Sicht des Missionsauftrages zu definieren. Das Ziel ist, sich über die Regelungsziele und die Qualität des gewünschten und geforderten Systems Gedanken zu machen. Diese Wünsche und Anforderungen sowie deren physikalische und technische Einschränkungen und Grenzen müssen aus Sicht des Anwenders so ausführlich formuliert werden, dass sich daraus konkrete, regelungstechnische Beziehungen herleiten lassen. Nach der ausführlichen Beschreibung der Reglersynthese der einzelnen Regelungen und deren regelungstechnischen Analyse wird die Tauglichkeit durch Untersuchung des Verhaltens des geregelten Systems im Nominalfall, mit Modellunsicherheiten und unter Windeinfluss überprüft. Zusätzlich wird zu einem ein sogenannter „Iron-Bird“ als Systemprüfstand aufgebaut, welcher bei Entwicklung, Anpassung und Tests der Flugmissionen und der Systeme des Luftschiffes eingesetzt wird, um damit abschließend den Funktionsnachweis beim Einsatz auf dem realen Versuchsträger ALUSTRA I bei sehr geringer Trajektoriendynamik zu erbringen. Zum Schluss konnte mit einem autonomen Flug des Versuchsträgers ALUSTRA I gezeigt werden, dass das Flugführungskonzept die Anforderungen, die vorgegebene Trajektorie mit hoher Bandbreite und guter Führungsgenauigkeit, erfüllen kann. Die durchgeführte Mission sowohl in der HIL-Umgebung als auch auf dem Versuchsfeld besteht in Anlehnung an die Örtlichkeiten des Versuchsfeldes in Gauting im Freistaat Bayern.