Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Seminar: Micro-Air-Vehicles

Thema: Konzeption und Konstruktion eines

Quadrotors

23.06.2006 Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

1. Stand der Technik

2. Dimensionierungsaspekte, Aerodynamik

3. Systemkonzeption, Konstruktionsentwurf

4. Steuerungsentwurf

• Funktionsweise

• Steuerungsmöglichkeiten

5. Mathematisches Modell

6. Regelungsstrategie

7. Ausblick

• Reglerentwurf

TU Dresden, 23.06.2006

Inhalt des Vortrages

• Einschränkung des Regelungskonzeptes

• Vorgabe der Fehlerdynamik

• spezielle Steuerungsvorgaben bei Neigung

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Stand der Technik

23.06.2006 Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Silverlit X-Ufo

…

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

x

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Small Semi-Autonomous Rotary-Wing Unmanned Air

Vehicle (UAV)

TU Dresden, 23.06.2006

m = 1000g

Pennsylvania State University

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

MC-Copter

TU Berlin…

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

m ca. 1kg

(ohne Spannungsversorgung)

Seminar: MAV

x

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

STARMAC

Aeronautics and Astronautics, Stanford University

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

VTOL Quadrotor Aircraft

Lakehead University, Thunder Bay, Ontario, Canada,

University of Western Ontario, London, Ontario, Canada

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

m ca. 0,5 kg

(ohne Spannungsversorgung)

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

X-4

Frankreich

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

m ca. 0,5 kg

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Dragan-Flyer

comercial: ~ 800 $

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

m ca. 0,45 kg

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Dimensionierungsaspekte,

Aerodynamik

23.06.2006 Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Aerodynamisches Konzept (2)

Eingangsgrößen:

…

- Masse = 100 g

- Rotordurchmesser = 0,2 m

Ausgangsgrößen:

-benötigte Antriebsleistung (el.) = 5 W

-Drehzahl = 430 U/min

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Dimensionierung

Masse des Gerätes m

Rotoranzahl

0,1 kg

…

4

zugrunde gelegte Gleichungen:

Fhub = 1/6 * ca * rho * vu² * D

Rotordurchmesser D 0,2 m

ca 0,3 W = Fhub / (ca/cw)

Gleitzahl (ca/cw) 0,3

Luftdichte rho 1,225 kg/m³ M = 0,8 * D/2 * W

Drehzahl n 427 U/min

7 U/s P = Fhub * ( 0,932 * wrzl(Fhub) / D + 0,042 * D*n / (ca/cw)

Umfangsgeschwindigkeit vu 4,5 m/s

16,1 km/h

Moment 0,0654 Nm

Hubkraft Fhub 0,25 N

mit Beschleunigung

0,318825

Hubleistung 0,57 W 0,84

Widerstandsleistung 0,05 W 0,06

Gesamtleistung 0,61 W 0,90

insgesamt 2,46 W 3,60992169

Wirkungsgrad mech usw 0,7 0,7

Pel 3,51 W 5,15703098

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Hubkraft/Moment

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

TU Dresden, 23.06.2006

Aerodynamisches Konzept (3)

…

0 2 4 6 8 10 12

Drehzahl

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Hubkraft

Moment

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Leistungsbedarf

TU Dresden, 23.06.2006

6

5

4

3

2

1

0

Aerodynamisches Konzept (4)

…

0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Rotordurchmesser

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Systemkonzeption,

Konstruktionsentwurf

23.06.2006 Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Komponenten I

Konstruktionsmaterial: Balsaholz

Dicke 0,8mm

Masse: 2 x 3,6g

3 Gyroskope: Melexis (MLX90609-N2)

SPI

+-75°/sec

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Kamera: PC185

CCD/BW

12V/ 115mA

11g

Sender: Mikro PLL

3V/ 130mA

8g

TU Dresden, 23.06.2006

Komponenten II

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Komponenten III

Motoren: Faulhaber 0816 003S

0,15mNm

N=13000U/min

3,5g

Getriebe: Faulhaber 08/1 (Planetengetriebe)

Untersetzung: 1/1024

6,3g

60mNm (im Dauerbetrieb)

Wirkungsgrad 55%

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Komponenten IV

Funk-Empfänger: ER400RS

RS232

3,5g

Akku

560mAh

13g

μC: Atemga 64

16Mhz

4xPWM

SPI

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Komponenten V

Funk-Sender: RF400 USB Telemetry Module

USB

Was wird gesendet:

Nickwinkel

Gierwinkel + Trimmung

Rollwinkel

Kamera an/aus

Steigen/Fallen + Trimmung

•DC-DC-Wandler: RECOM RM

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Signalflussplan

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Energieflussplan

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Masseabschätzung

Konstr. Material (Balsaholz) 7,2g

Kamera/Sender 19g

Motoren/Getriebe

Funk-Empfänger

Akku (500mAh)

Rotoren

Elektronik

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

39,2g

3,5g

13g

ca. 10g

ca. 10g

Summe: 101,9g

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Energieabschätzung

Energie des Akkus: 6120 Ws – 20% = 4896Ws

Bauteil: Laufzeit Energie

Kamera/Sender 60sec 82,8Ws

DC-DC 12V (50%) 60sec

82,8Ws

Motoren

20min

3038,4Ws

μC

20min

6Ws

Gyroskope

20min

10Ws

DC-DC 5V

20min

16Ws

Funk-Empfang 20min 77,52Ws

Differenz: 1582,48Ws

TU Dresden, 23.06.2006

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Steuerungsentwurf

23.06.2006 Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Funktionsweise

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Steuerungsmöglichkeiten

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Mathematisches Modell

23.06.2006 Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Getroffene Vereinfachnungen:

Modellbildung

• Keine Berücksichtigung von aerodynamischen

Effekten (Dämpfung)

• Keine Berücksichtigung der Motordynamik

(Momente stehen ohne Verzögerung zur

Verfügung)

• Ideale Bestimmung der Trägheiten und Massen

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Modellbildung

Generalisierte Koordinaten:

Aufteilung in translatorische -und rotatorische Koordinaten:

Ansatz über die Lagrange-Gleichung:

Wobei

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Modellbildung

Die in das System eingeprägten Kräfte sind:

R ist eine Rotationsmatrix die die Orientierung des

Quadrotors gegenüber des Inertialsystems angibt in

Abhängigkeit von Q, F und Y.

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Modellbildung

Das Einsetzten in Langrange Gleichung liefert das folgende

Gleichungssystem:

Wobei den Coriolis-Term darstellt

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Regelungsstrategie

23.06.2006 Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Mit einer Eingangs-Zustands Linearisierung:

ergibt sich ein vereinfachtes Gleichungssystem:

TU Dresden, 23.06.2006

Reglerentwurf

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Regelungskonzept

Es wird hierbei auf eine Regelung der Höhe, x- und y-Verschiebung verzichtet, da dies

manuell über die Steuerung mittels Trimmen erfolgen kann.

Gierbewegung tau_psi wird benutz um das Gieren

kontrollieren

Rollbewegung tau_theta wird benutz um das

Rollen zu kontrollieren

Nickbewegung tau_phi wird benutz um das Nicken

und die zu kontrollieren

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

Vorgabe der Fehlerdynamik

•

τ � =−a Ψ−a ( Ψ−Ψ )

Ψ Ψ1 Ψ2

d

•

τ � =−a Θ−a ( Θ−Θ )

Θ Θ1 Θ2

d

•

τ � =−a Φ−a ( Φ−Φ )

Φ Φ1 Φ2

d

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Giermoment

Rollmoment

Kippmoment

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Eingesetzt in die Modellgleichungen:

TU Dresden, 23.06.2006

Vorgabe der Fehlerdynamik

•• •

Ψ =−aΨ1Ψ−a Ψ2(

Ψ−Ψd)

•• •

Θ =−aΘ1Θ−a Θ2(

Θ−Θd)

•• •

aΦ1 a Φ2(

d)

Φ =− Φ− Φ−Φ

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

TU Dresden, 23.06.2006

spezielle Steuerungsvorgaben bei Neigung

Durch das Neigen oder Rollen entsteht eine Winkeldifferenz z zwischen dem

Kraftvektor U und der Schwerkraftkomponente.

Konsequenz:

Es steht nicht mehr die volle Auftriebskraft zur Kompensation der Erdbeschleunigung zur

Verfügung.

⇒Erhöhung der Drehzahl der einzelnen Motoren

Zusammenhang zwischen Rollwinkel, Nickwinkel und Winkelabweichung:

1

2

R( Θ, Φ)

ist eine Rotationsmatrix aus der sich die Winkelabweichung in Form des

− 1 r11 + r22 + r33 −1

Eulerparameters Ω= cos ( ) errechen lässt.

2

Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV

---

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrstuhl für Automatisierungstechnik, Prof.Dr.techn.Klaus Janschek

Ausblick

… und Ende ☺

23.06.2006 Björn Heinbokel Eike Hillenbrand

Tim Sterzik Marcus Seidel

Seminar: MAV