Launch trajectory control of a flying wing with vertical takeoff capability for airborne wind energy systems

Fuest, Hendrik; Schmehl, Roland; Moormann, Dieter

doi:10.18154/RWTH-2025-03802

Launch trajectory control of a flying wing with vertical takeoff capability for airborne wind energy systems = Trajektorienregelung der Startphase eines senkrechtstartfähigen Nurflüglers für Höhenwindenergieanlagen

Fuest, Hendrik^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hendrik Fuest

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* ; Schmehl, Roland (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-03802
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1010022/files/1010022.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik (415410)

Projekte

Verbundvorhaben: EnerGlider - Entwicklung einer Offshore Höhenwindanlage auf Basis eines eigenstart- und eigenflugfähigen Gleiters; Teilvorhaben: Entwicklung und Erprobung des automatisierten Flugbetriebs (0324339D) (0324339D)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flugwindkraftwerke (frei) ; Nurflügler (frei) ; Startphase (frei) ; Trajektorienregelung (frei) ; airborne wind energy (frei) ; flying wing (frei) ; launch (frei) ; tailsitter (frei) ; trajectory control (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Flugwindkraftwerke, bei der Windenergie durch seilgebundene Flugsysteme nutzbar gemacht wird. Angestrebt wird eine maximale Leistungsausbeute für den Betrieb sowohl bei niedrigen als auch hohen Windgeschwindigkeiten. Ein Nurflügler stellt dabei ein vielversprechendes Flugsystem für einen hocheffizienten Betrieb dar, da er auf den Flügel als primäre Auftriebskomponente reduziert ist. In der sogenannten Tailsitter Konfiguration ist er zudem in der Lage, auch auf begrenztem Raum senkrecht starten zu können. In dieser Arbeit wird eine Trajektorienregelung entwickelt, die die aerodynamische Geschwindigkeit des Nurflüglers vom vertikalen Schwebeflug bis in den horizontalen Vorwärtsflug unter Beibehaltung einer konstanten Höhe regelt. Diese Flugtrajektorie stellt den Beginn der Startphase des Flugwindkraftwerks dar, in der hohe Anforderungen bezüglich eines geringen Leistungsbedarfs und vor allem an eine hohe Windrobustheit gestellt werden. Der Flugregler realisiert eine Startphase mit geringem Schubbedarf und ausreichenden Steuerreserven für den Betrieb in einem dynamischen Windfeld. Dabei werden zudem die spezifischen Randbedingungen der Seilverbindung und der begrenzte Trimmbereich des Flugsystems berücksichtigt. Die Lagestabilisierung der natürlichen Instabilitäten des Flugsystems stellt ein notwendiges Kriterium dar, welches inhärent in die Regelungsarchitektur integriert ist. Um das Flugsystem innerhalb seiner steuerbaren Grenzen zu halten, wird eine gerade Flugbahn entlang des Windvektors mittels einer Gier-Roll-Bewegung herausgearbeitet. Basierend auf einer detaillierten Analyse von Trimmzuständen werden die Betriebspunkte vom Senkrechtstart bis zum horizontalen Vorwärtsflug unter Berücksichtigung der Steuerreserven und des Schubbedarfs definiert. Der Fokus der Arbeit liegt auf dem Geschwindigkeitsregler, der mittels einer LQR-Regelung alle Flugachsen integriert, um die Geschwindigkeiten entlang dieser ausgewählten Betriebspunkte umzusetzen. Die Trajektorienregelung ermöglicht einen dynamischen Betrieb und passt die Kursrichtung der Flugbahn an einen rotierenden Windvektor an, um den Flug innerhalb des Trimmbereichs zu gewährleisten. Die Trajektorienregelung wird anhand einer nichtlinearen Simulation validiert. Eine gute Störunterdrückung als Reaktion auf ein rotierendes Windfeld ist insbesondere in der Schwebeflugphase entscheidend. Simulations- und Flugversuchsergebnisse zeigen daher die Wirksamkeit der Trajektorienregelung während dieser Flugphase unter Windbedingungen, ergänzt durch eine Robustheitsanalyse zum Stabilitätsnachweis.

Airborne wind energy (AWE) is an emerging technology that harnesses wind power using tethered flight systems. Maximum power output is sought out for operations ranging from low to high wind velocities. A flying wing is a promising airborne wind energy flight system since it is reduced to the wing as the primary lift-generating component to achieve a highly efficient, aerodynamic flight. For takeoff within a limited space, the flying wing is capable of vertical takeoff in a tailsitter configuration. This thesis presents a trajectory controller that controls the aerodynamic velocity of the flying wing from vertical hover to horizontal forward flight while maintaining a constant height. This flight trajectory marks the beginning of the launching phase of the airborne wind energy system, which places high demands on the flight controller for low power consumption and particularly high wind robustness. The flight controller achieves a thrust-efficient launch trajectory with sufficient control reserves for operations including a dynamic wind field. It incorporates the specific constraints imposed by the tether connection and the limited flight envelope of the flight system. The stabilization of the natural instabilities of the flight system's attitude is a necessary criterion that is inherently integrated into the control architecture. A straight flight path along the wind vector with a yaw-roll motion is outlined as a solution to keep the flight system within controllable limits. Based on a detailed analysis of trim states, the operating points from vertical takeoff to horizontal forward flight are carefully selected under consideration of control reserves and thrust requirements. The focus is on the velocity controller, which employs LQR control and integrates all flight axes to explicitly control the velocities along this selected flight path of commanded operating points. The launch trajectory controller enables dynamic operation and adapts the orientation of the flight system to a rotating wind vector to maintain flight within the flight envelope. The trajectory controller is thoroughly validated using nonlinear simulation results. Accurate disturbance rejection in response to a rotating wind field is in particular decisive during the initial hover flight phase. Simulation and flight test results demonstrate the effectiveness of the flight trajectory controller during this flight phase under wind conditions, which is complemented by a robustness analysis to verify stable flight.

OpenAccess:
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