Modeling, Simulation, and Implementation of an Autonomously Flying Robot
Dissertation

Einleitung
Zusammenfassung
Abstract
Das Modell
Aerodynamik der Rotoren
Simulation
Kalman-Filter

Einleitung
Auf dieser und den folgenden Seiten wird der Inhalt meiner Dissertation zusammengefaßt vorgestellt. Es wird lediglich ein Überblick gegeben und nicht jedes Detail präsentiert. Die vollständige Dissertation steht derzeit auch nicht zum Download zur Verfügung. Sie ist in jeder normalen Buchhandlung erhältlich:
Carsten Deeg
Modeling, Simulation, and Implementation of an Autonomously Flying FlyingRobot
Technische Universitšt Berlin, 2006
dissertation.de - Verlag im Internet GmbH
ISBN: 3-86624-167-4
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Zusammenfassung
Ein vollständiges mathematisches Modell für Modellhubschrauber wird vorgestellt, das den gesamten Flugbereich abdeckt. Es wird ausschließlich von zugrundeliegenden physikalischen Gesetzen hergeleitet. Es beinhaltet ein Modell der starren Körper, das die Dynamik des Rumpfes inklusive der rotierenden Teile der beiden Rotoren und des Motors beschreibt. Die Einflüsse aller Drehimpulse sind vollständig berücksichtigt, so daß das gesamte Modell die Bewegung inklusive aller Kreiseleffekte beschreibt.
Kräfte und Drehmomente der Rotoren, die am Rumpf angreifen, werden mit Hilfe der Blatt-Element Impuls Theorie (engl. BEMT) berechnet, die es erlaubt, das Strömungsfeld der Luft im Rotor hinreichend genau abzuschätzen, um akkurate Vorhersagen über das Hubschrauberverhalten zu ermöglichen. Das vollständige Modell wurde mit Hilfe einiger numerischer Verfahren implementiert, so daß eine präzise Simulation in Echtzeit möglich ist.
Für Arbeiten zum Hubschrauberregler wird eine vereinfachte Version auf Basis des vollständigen Modells hergeleitet. Diese bildet die Basis des Reglers für den autonomen Hubschrauber MARVIN der TU Berlin.
Aus dem Modell für die starren Körper am Hubschrauber wird ein Erweiterter Kalman-Filter (EKF) hergeleitet, der die Position und Bewegung des Hubschraubers auf Basis der zur Verfügung stehenden Sensoren schätzt. Der Filter benutzt außerdem die Stellgrößen des Reglers, um die Vorhersage zu verbessern.
Alle Komponenten (Modell, Regler, Sensor Filterung) werden in einem Simulator vereint, der in der Lage ist, den vollständigen Hubschrauber in Echtzeit präzise zu simulieren. Alle Ergebnisse und Vorhersagen werden mit Meßergebnissen aus Experimenten abgeglichen.
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Abstract
A full envelope mathematical model for small-scale helicopters is presented that is completely derived from underlying physical laws. It incorporates a rigid body model of the fuselage including spinning parts of two rotors and the engine. Influences of all angular momenta are fully incorporated, yielding a complete model for movements including all gyroscopic effects.
Forces and torques of the rotors acting on the helicopter are calculated by use of Blade Element Momentum Theory (BEMT), which estimates the flow field at the rotors quite accurately, so that a precise prediction of the helicopter's behavior is possible. The complete model has been implemented by use of several numerical techniques in order to obtain an accurate simulation, which can be executed in real-time.
For control purposes, a simplified version is derived from the sophisticated complete model. It represents the basis of the controller of TU Berlin's autonomous helicopter MARVIN.
From the rigid body model an Extended Kalman Filter (EKF) is derived that estimates the helicopter's position and movement on the base of available sensor values. Additionally, the filter takes into account control signals in order to increase the prediction performance.
All components (model, controller, sensor filtering) are combined in one simulator, which is capable of accurately simulating a complete helicopter in real-time. All results and predictions are compared with measurements from experiments.
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Inhalt
Das Modell
Aerodynamik der Rotoren
Simulation
Kalman-Filter

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Letzte Aktualisierung: 23.12.2006
© Carsten Deeg