Control of dynamic maneuvers during launch of flying wings in airborne wind energy systems

Duda, Dominik Felix; Diehl, Moritz; Moormann, Dieter

doi:10.18154/RWTH-2025-04891

Control of dynamic maneuvers during launch of flying wings in airborne wind energy systems = Regelung dynamischer Flugmanöver während der Startphase von Nurflüglern in Höhenwindenergieanlagen

Duda, Dominik Felix^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dominik Felix Duda

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Moormann, Dieter (Thesis advisor)^RWTH* ; Diehl, Moritz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-04891
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1012147/files/1012147.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik (415410)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Höhenwindenergie ist eine innovative Technologie, die fliegende Systeme zur Energiegewinnung nutzt. Für einen hohen Wirkungsgrad sind Fluggeräte mit günstigen aerodynamischen Eigenschaften entscheidend. Zudem müssen die Systeme vertikal starten und landen können, um den Einsatz an verschiedenen Standorten zu ermöglichen und aufwendige Bodeneinrichtungen wie Startbahnen oder Katapulte zu vermeiden. Ein Nurflügler mit Antriebseinheiten an der Flügelvorderkante ermöglicht diesen vertikalen Betrieb und erhöht die Flexibilität. Gleichzeitig bietet er günstige aerodynamische Eigenschaften für den energieerzeugenden Flug im Wind, wodurch die Energieausbeute erhöht werden kann. Das dynamische Startmanöver vom Senkrechtstart in den energieerzeugenden Flug stellt jedoch aufgrund der spezifischen Flugeigenschaften und des Einflusses von Wind eine besondere Herausforderung dar. Zusätzlich muss das Seil, das den Nurflügler mit dem Boden verbindet, berücksichtigt werden. Die Regelung der Bewegung des Nurflüglers als Teil der Höhenwindenergieanlage ist daher speziell für die Startphase eine besondere Herausforderung. Diese Dissertation stellt ein Regelungskonzept für dynamische Flugmanöver eines Nurflüglers in einem Höhenwindenergiesystem vor. Im Fokus steht dabei das dynamische Übergangsmanöver vom Senkrechtstart in den energieerzeugenden Flug, das durch zahlreiche Lageänderungen und starke Nichtlinearitäten geprägt ist. Diese Herausforderungen werden gezielt im Regelungskonzept berücksichtigt. Darüber hinaus werden sowohl die besonderen Flugeigenschaften vom Nurflügler als auch Einschränkungen durch das Seil berücksichtigt, um eine zuverlässige Regelung zu gewährleisten. Der vorgestellte Flugregler ist kaskadiert und umfasst einen Bahnregler, einen translatorischen Beschleunigungsregler sowie einen rotatorischen Lageregler. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung des translatorischen Beschleunigungsreglers, der auf dem Ansatz der inkrementellen nichtlinearen dynamischen Inversion (INDI) basiert. Das Regelungskonzept wird an einem exemplarischen Höhenwindenergiesystem mit einem Nurflügler implementiert und anhand linearer und nichtlinearer Simulationen sowie Flugtests umfassend analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte Regelungskonzept insbesondere für dynamische Manöver, wie das Startmanöver, wirksam ist und die damit verbundenen Herausforderungen erfolgreich bewältigt.

Airborne wind energy is an evolving technology that utilizes airborne systems operating in wind fields to harvest energy. To achieve high performance, employing airborne systems with favorable aerodynamic characteristics is promising. In addition, to enable launching and landing at various sites and eliminate elaborate ground infrastructure such as runways or catapult aid systems, the airborne systems must be able to take off and land vertically. A flying wing, span-wise equipped with propulsion units, allows such vertical operation with its nose pointing upward, improving the system's operational flexibility. In addition, it provides favorable aerodynamic characteristics for energy-harvesting flight, allowing enhanced power production. However, due to the specific flight characteristics of flying wings, the launch maneuver from vertical takeoff to energy-harvesting flight is challenging, particularly in strong winds. Moreover, a tether connecting the flying wing to the ground must also be considered. Consequently, controlling the flying wing's motion throughout the operation, especially during such dynamic launch maneuvers, is a significant challenge. This thesis presents a control concept for dynamic flight maneuvers of a flying wing operating in an airborne wind energy system. It focuses on the launch, including the dynamic transition maneuver from vertical takeoff to energy-harvesting flight, providing the potential for enhanced system performance with a flying wing configuration. This transition involves a wide range of attitude changes and high nonlinearities that must be considered in the control concept. Moreover, the specific flight characteristics of flying wings and the constraints imposed by the tether must be considered. The flight controller presented here is cascaded, comprising guidance, translational, and rotational controllers. This thesis primarily focuses on designing the translational controller using an incremental nonlinear dynamic inversion approach. This controller governs the translational motion of the flying wing across its entire operational envelope, including dynamic maneuvers. The control concept is implemented for an exemplary flying wing airborne wind energy system and thoroughly analyzed, with results from linear and nonlinear simulations and flight tests. The developed control concept proves effective for launch maneuvers, addressing the challenges of controlling flying wings during such operations.

OpenAccess:
PDF
(additional files)