Nichtlineare Modellierung und lineare Regelung eines neuartigen robotischen Landesystems für Drehflügler-UAVs

Kurzfassung

Diese Arbeit befasst sich mit einem System zur Landung von Drehflügler-UAVs bei schwierigen Witterungsbedingungen, wie zum Beispiel starkem Wind, sowie zur Landung auf mobilen Plattformen wie etwa einem Schiff. Das Drehflügler-UAV wird mit Hilfe eines am Boden, beziehungsweise am Schiff befestigten Roboterarm gelandet. Es wird die Phase betrachtet in der der Roboterarm und das UAV bereits mit einander verbunden sind. Die Verbindungsstelle ist ein Kugelgelenk. Mit dem Roboterarm kann das Kugelgelenk und somit auch indirekt das UAV translatorisch bewegt werden. Das Kugelgelenk befindet sich nicht direkt im Massezentrum des UAVs, deshalb entstehen durch die vom Roboter aufgebrachten Kräfte am Kugelgelenk auch Momente um das Massezentrum des UAVs. In dieser Arbeit wird ein nichtlineares Modell für ein UAV an dem sich ein Hebelarm mit Kugelgelenk befindet hergeleitet. Das nichtlinearen Modell wird linearisiert. Es wird untersucht wie sich verschiedene Eigenschaften der UAV-Lageregelung eines am Kugelgelenk fixierten UAVs im Vergleich zu einem freifliegenden UAV ändern. Für das lineare Modell des UAVs mit Hebelarm und Kugelgelenk, werden mehrere Regler entworfen, die es ermöglichen durch Krafteinwirkung durch den Roboter am Kugelgelenk das UAV translatorisch an eine gewünschte Position zu bewegen ohne dabei seine Orientierung in ungewünschter Weise zu beeinflussen. Dabei werden die rotatorischen Zustände des UAVs in die Regelung mit einbezogen. Es werden Regelunskonzepte entworfen, die nur den Roboterarm als Aktuator einsetzen und Regelungen, die die Aktuatorik des UAVs mitbenutzen. Zur Steuerung des Roboters wird eine Drehmomentensteuerung für den DLR Leichtbauroboter hergeleitet, mit der es möglich ist Sollbeschleunigungen am Kugelgelenk, dem Endeffektor des Roboters, zu erzeugen. Für das nichtlineare UAV Modell, die linearen Regler und die Robotersteuerung wurden Simulationsmodelle erstellt und zusammen mit einer Dynamik- und Kinematiksimulation des Roboters simuliert. Ebenso wurden die linearen Regler zusammen mit der Robotersteuerung auch an der echten Hardware, dem DLR Leichtbauroboter 4 (LBR 4) und dem Quadrokopter Parrot AR.Drone 2.0 getestet.