Zustandsschätzung und prädiktive Trajektorienfolgeregelung für Multikopter in Inspektionsanwendungen

Konrad, Thomas; Abel, Dirk (Thesis advisor); Horn, Martin (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der regelungstechnischen Schwerpunkte Zustandsschätzung und Trajektorienfolgeregelung für unbemannte Multikopter, um den automatisierten Flug in Inspektionsanwendungen zu ermöglichen. Darüber hinaus stellt die Entwicklung eines Konzepts zur Kommunikationsinfrastruktur, funktionaler Sicherheit und Hardwareumsetzung eines dazu geeigneten experimentellen Multikoptersystems einen weiteren Schwerpunkt dar. Das Ziel der Arbeit ist es, unterschiedliche Methoden im Bereich der Navigation und Trajektorienfolgeregelung zu entwickeln und in Bezug auf den Einsatz in Inspektionsanwendungen zu bewerten. Für die Zustandsschätzung werden drei verschiedene Integrationskonzepte von Inertialnavigation (INS) und globaler Satellitennavigationssysteme (GNSS) hinsichtlich Anforderungen an Genauigkeit, Verfügbarkeit und Bandbreite untersucht. Neben der Nutzung einer vorberechneten GNSS-Positionslösung in einer losen Kopplung steht dabei insbesondere die enge Kopplung auf Basis der Rohmessdaten einzelner Satelliten im Fokus. Unter expliziter Korrektur der Messverzögerungen werden INS und GNSS mittels asynchronem erweiterten und Unscented Kalman Filter fusioniert. Anhand umfangreicher Studien mit experimentellen Daten kann gezeigt werden, dass die enge Kopplung auch bei kurzzeitigen GNSS-Abschattungen eine anforderungsgerechte Zustandsschätzung mit geringen Gradienten zur Verfügung stellt. Zur präzisen und effizienten Trajektorienfolgeregelung des nichtlinearen Multikoptersystems wird die Kombination aus flachheitsbasierter Zwei-Freiheitsgradregelung und prädiktiver Optimierung zur Trajektoriengenerierung untersucht. Die überlagerte Optimierung auf Basis eines beschränkten quadratischen Programms generiert dabei zur Laufzeit vierfach stetig differenzierbare Trajektorien, welche mittels nichtlinearer Vorsteuerung umgesetzt werden. Die auf Flachheit basierende exakte Zustandslinearisierung wird neben der vollständigen auch in einer um die rotatorische Dynamik reduzierten Variante vorgestellt. Mittels simulativer und experimenteller Untersuchungen kann gezeigt werden, dass die reduzierte Linearisierung bessere Robustheitseigenschaften und ähnliche Performanz in den für Inspektionsanwendungen relevanten Dynamiken zeigt. Für die Validierung des Gesamtsystems wird ein industrieller Funkmast mit dem experimentellen Quadrokoptersystem beflogen. Durch die gewählten Methoden können trotz der begrenzten Rechenkapazität hohe Genauigkeiten im automatischen Flug erreicht und damit die anwendungsspezifischen Anforderungen erfüllt werden.

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