Beiträge zur Instrumentierung und Identifikation eines Kleinluftschiffes

Abstract

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.

The development of modern airships and of their control and automatic control systems requires exact models of the airship's dynamic behavior. The work at hand is dedicated to the identification of such airship's dynamics, therefore. The starting point is a model of the flight dynamics, which was developped at the Institute of Flight Mechanics and Control. The model is set up on theoretical basics and wind tunnel data. The objective of the analysis is the validation of this model using flight test data measured with the "Lotte" airship. The non-linear equations of the rigid body motion and of the aerodynamics are presented as background for the work. Further, they are extended for a better representation of the real world by the author. After that an adaptation to the real airship "Lotte" is performed, taking into account newest wind tunnel data available and measurements of the actuators' dynamics. A discussion of the model parameters and the model uncertainties concludes the presentation of the model. This discussion provides a basis for investigations of the airship's dynamics concerning identifiability of some parameters, conducted later on. The specification of data required for identification and control of the airship is followed by discussions and definitions of suitable measurement systems and their calibration. The integration of the systems into the airship's frame and an infrastructure for data transmission, data processing, and data storage aboard the airframe is presented in detail. Flight test planning and flight test execution is discussed and analyzed for possibilities and limitations using "Lotte" as an experimental platform. The description of the experiment setup is concluded by a short introduction into a simulation environment that was used to check all airborne systems, the ground station, and the postprocessing of flight test data. Before presenting some flight test results, the subject identification itself, some investigations towards identifiability of parameters, and some definitions made for the identification of the airship's dynamics are discussed. Flight path reconstructions of measured data result in trajectories which are used first for wind determination and then for the identification of some parameters of the model. For the parameter estimation an output error method is used in combination with a maximum-likelihood objective function. Simulated trajectories are in good agreement with flight test data if the presented model structure is used in conjunction with parameters estimated from flight test data. The comparison of the estimated aerodynamic parameters to those resulting from a wind tunnel data fit shows great differences, though. These differences could not be fully clearified within the presented work. Further the identified parameters vary from flight test to flight test. But the differences between flight test results are significantly smaller than the differences to wind tunnel data. A concluding discussion presents possibilities to reduce uncertainties found, if the presented procedures are used for other identification projects in the future. The result of the presented work is that the given structure of the airship's model is able to reproduce trajectories measured in-flight. However, the aimed validation of the model could not be achieved. Using parameters originating from airship's design in combination with wind tunnel data in simulation runs did not represent the real airship's behavior. Uncertainties in submodels or modeling errors are made responsible for the differences found.