Regelung und Ansteuerungsverfahren

Quadrokopter mit Motorausfall und Steuerallokation

Autel X-Star (c)
Autel X-Star

Quadrokopter mit Motorausfall

Motorausfall oder die strukturelle Beschädigung eines Propellers stellen ein hohes Risiko für den Betrieb eines Multikopters dar. Bei Quadrokoptern genügt bereits der Ausfall eines Aktuators, damit die Fähigkeit stabil zu schweben verloren geht. Der Grund ist ein Giermoment, welches nicht von den verbleibenden Propellern kompensiert werden kann. Das Institut für Flugmechanik und Flugregelung entwickelt einen Notfallregler, welcher es mittels der drei verfügbaren Aktuatoren ermöglicht, die Schubachse entlang einer Referenzrichtung auszurichten, welche vom Piloten über die Funkfernsteuerung vorgegeben wird. Mit diesem Vorgehen kann der beschädigte Quadrokopter die Position im Raum halten, obwohl das Fahrzeug mit bis zu sechs Umdrehungen pro Sekunde um die Hochachse rotiert.

Der Regler wurde auf einer Autel X-Star erfolgreich im Flug demonstriert. Der Ansatz ermöglicht hierbei Notlandungen im Falle eines Motorausfalls und verhindert dadurch unkontrollierte Abstürze.

  • J. Stephan, L. Schmitt, and W. Fichter, “Linear Parameter-Varying Control for Quadrotors in Case of Complete Actuator Loss,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, pp. 1–15, 2018.

Steuerallokation

Bestimmte Fahrzeuge besitzen mehr Aktuatoren als mechanische Freiheitsgrade. Ein typisches Beispiel ist Redundanz, um die Ausfallsicherheit eines Systems zu erhöhen. Der Regler für ein solches Fahrzeug steht dabei vor der Herausforderung, den Regelbedarf auf die jeweils beschränkten Aktuatoren zu verteilen. In diesem Zusammenhang existieren diverse Ansätze mit unterschiedlicher algorithmischer und numerischer Komplexität um das unterbestimmte Problem zu lösen. Allerdings führen diese teilweise zu ungeeigneten Lösungen, insbesondere wenn der Steuerbedarf nahe der physikalischen Grenze des Systems liegt.

Der am Institut für Flugmechanik und Flugregelung entwickelte Algorithmus stellt die vollständige Nutzbarkeit des physikalischen Steuerraumes unter Beibehaltung der gewünschten Steuerrichtung sicher. Der Ansatz wurde auf einem Oktokopter des Instituts demonstriert, wobei das Ausschalten eines Aktuators im Flug erfolgreich getestet werden konnte.

  • J. Stephan and W. Fichter, “Fast Exact Redistributed Pseudoinverse Method for Linear Actuation Systems,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2017.
  • Frangenberg, Michael; Stephan, Johannes and Fichter, Walter. 2015. Fast Actuator Fault Detection and Reconfiguration for Multicopters. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference (AIAA 2015-1766)
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