Flugzustandsregler für Kippflügel-Fluggeräte mit hohen Flugleistungen

Schütt, Marten; Moormann, Dieter; Alles, Wolfgang

doi:10.18154/RWTH-2019-06783

Flugzustandsregler für Kippflügel-Fluggeräte mit hohen Flugleistungen = State controller for flight performance oriented tilt-wing aircraft

Schütt, Marten^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marten Schütt

ImpressumAachen 2019

Umfang147

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Moormann, Dieter (Thesis advisor)^RWTH* ; Alles, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-06-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-06783
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/764354/files/764354.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik (415410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Drohne (frei) ; Flugzustandsregler (frei) ; Kippflügel-Fluggerät (frei) ; Tiltwing (frei) ; UAV (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der große Flugbereich von Kippflügel-Fluggeräten beinhaltet den Schwebeflug und hohe Fluggeschwindigkeiten, das macht sie attraktiv für verschiedene Einsatzgebiete wie Inspektion, Luftzustellung und Luft-Taxis. Die unterschiedlichen Flugzustände - von schubgetragen bis auftriebsgetragen - stellen hohe Anforderungen an den Entwurf von Fluggerät und Regelung. Dank aktueller Technologien können die Fluggeräte zum Erreichen hoher Flugleistungen auch instabil ausgelegt werden. Die Stabilisierbarkeit stellt dabei allerdings ein stets zu erfüllendes, notwendiges Kriterium dar. Die erforderliche Flugregelung muss somit eine Stabilisierung im gesamten Flugbereich sicherstellen, während hohe Flugleistungen ermöglicht werden. In dieser Arbeit wird ein Flugzustandsregler entworfen und evaluiert, der einen Kompromiss zum Erreichen von hohen Flugleistungen bei gleichzeitiger Wahrung erforderlicher Flugeigenschaften für Kippflügel-Fluggeräte findet. Damit wird unterstützt, dass sich die Auslegungsziele von Kippflügel-Fluggeräten zu guten Flugleistungen verschieben können. Es werden zum einen die widersprüchlichen Ziele hoher Flugleistungen und guter Flugeigenschaften und zum anderen die gegensätzlichen Anforderungen für hohe Flugleistungen in den unterschiedlichen Flugzuständen diskutiert. Der entworfene Flugzustandsregler ermöglicht einen optimalen Kompromiss zwischen den gegensätzlichen Anforderungen anhand der Berücksichtigung entsprechend definierter Kriterien. Die Vorsteuerung von Trimm-Steuervektoren macht die Flugzustände des großen Flugbereichs jeweils zu einem Gleichgewichtszustand. Für die üblicherweise große Anzahl an Steuergrößen wird anhand verschiedener Kriterien der Flugeigenschaften und Flugleistungen ein geeigneter Verlauf der einzelnen Trimm-Steuergrößen ausgewählt. Eine Steuergrößenzuordnung gewährleistet die zur Stabilisierung nötigen Steuerreserven und erzeugt durch die Verwendung der Pseudoinversen einen kompensierten Steuergrößenausschlag. Dabei wird die verbleibende Steuerreserve durch eine künstliche Reduktion der Wirksamkeit implizit berücksichtigt. Der entworfene Ansatz des Flugzustandsreglers wird für ein Beispielfluggerät mit hohen Flugleistungen und einer großen Anzahl an Steuergrößen angewendet. Mittels einer nichtlinearen Simulation und abschließender Flugversuche wird die Funktionalität und Leistungsfähigkeit des Ansatzes nachgewiesen.

The wide flight envelope of tilt-wing aircraft includes VTOL and high flight speeds, making them attractive for various applications such as inspection, air delivery and air taxi. The different flight states -from thrustborne to liftborne- place high demands on the design of aircraft and control system. Thanks to current technologies, tilt-wing aircraft can be designed unstable to achieve high flight performance. Nevertheless, stabilization is a mandatory criterion which must always be fulfilled. The required flight controller must therefore ensure stabilization throughout the entire flight envelope while enabling high flight performance. In this work, a flight state controller is designed and evaluated which finds a compromise to achieve high flight performance while maintaining the required flying qualities for tilt-wing aircraft. This supports the ability to shift the design objectives of tilt-wing aircraft to good flight performance. The contradictory goals of high flight performance and good flying qualities on the one hand and the conflicting requirements for high flight performance in different flight conditions on the other are discussed. The designed flight state controller enables an optimal compromise between these contradictory goals based on the consideration of predefined criteria. Feedforwarding a trim control vector allows stationary flight in the entire flight envelope. For the usually large number of manipulated variables, a suitable trim control vector is selected on the basis of different criteria of flight performance and flying qualities. A control allocation preserves the control reserves required for stabilization and generates a compensated control deflection by applying the pseudoinverse. The reserve of the manipulated variable is taken into account implicitly by an artificial reduction of the control effectiveness. The designed approach of the flight state controller is applied to an example aircraft with high flight performance and a large number of control variables. The functionality of the approach is proven by means of a nonlinear simulation and final flight tests.

OpenAccess:
PDF
(additional files)