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Vorausschauende Flugbahnregelung für Kippflügelflugzeuge = Predictive Flight Path Control for Tilt-Wing Aircraft

Hartmann, Philipp^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp Hartmann

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (XII, 160 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Moormann, Dieter (Thesis advisor)^RWTH* ; Abel, Dirk (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-11-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-10495
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/710450/files/710450.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl und Institut für Flugsystemdynamik (415410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Flugbahnregelung (frei) ; Flugregelung (frei) ; Kippflügelflugzeug (frei) ; UAV (frei) ; VTOL (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird eine neuartige Methode zur Bahnregelung von hoch automatisierten, hybriden Fluggeräten (Wandelflugzeugen) konzipiert und am Beispiel eines Kippflügelflugzeuges entworfen und evaluiert. Hybride Flugzeugkonfigurationen sind in den beiden zukunftsweisenden Themenbereichen der zivilen unbemannten Luftfahrtsysteme und der On-Demand Air Mobility von besonderem Interesse. Durch ihre Fähigkeit, senkrecht zu starten und zu landen, erlauben sie einen Einsatz abseits einer Flugplatz-Infrastruktur und bieten gleichzeitig hohe Flugleistungen. Der große Bereich möglicher Fluggeschwindigkeiten führt bei hybriden Fluggeräten allerdings auch zu signifikanten Variationen der flugmechanischen Eigenschaften und damit zu besonderen Herausforderungen bei der Automatisierung dieser Fluggeräte.Bereits bekannte Flugregelungssysteme für hybride Fluggeräte erlauben zwar einen vollständig automatisierten Flugbetrieb, besitzen bei der Flugbahnfolge jedoch Einschränkungen bezüglich möglicher Flugbahngeometrien sowie bezüglich der Nutzung des vollständigen Geschwindigkeitsbereiches. Der in dieser Arbeit vorgestellte Bahnregler erlaubt den Flug entlang von Flugbahnen beliebiger geometrischer Gestalt und gleichzeitig die durchgehende Nutzung des vollständigen Geschwindigkeitsbereiches. Die zur Bahnfolge nötigen umfangreichen Flugzustandsänderungen werden vom Bahnregler während des Fluges vorausschauend, d.h. im Hinblick auf die vorausliegende Flugbahngeometrie, geplant. Dabei berücksichtigt die Planung sowohl die aktuelle und veränderliche Windsituation, als auch die flugmechanischen Grenzen des Fluggerätes. Das Bahnregelungssystem wird im Rahmen dieser Arbeit exemplarisch für ein Kippflügelflugzeug in Form einer Kaskadenregelung ausgelegt. Die Besonderheiten bei der Reglung des aerodynamischen bzw. des inertialen Bewegungszustandes werden dabei getrennt in einem inneren Flugzustandsregler und einem äußeren Bahnregler behandelt. Zur Beschreibung der flugmechanischen Besonderheiten des Kippflügelflugzeuges wird ein nichtlineares Regelstreckenmodell erstellt. Für die numerisch effiziente Durchführung der Flugzustandsplanung wird ein spezifischer Algorithmus entworfen. Im Rahmen von Simulationsversuchen wird das Bahnregelungssystem evaluiert, wobei sowohl die prinzipielle Funktionsweise des Bahnreglers anhand einfacher Bahnvorgaben, als auch die quantitative Bahnfolgegüte beim Flug entlang einer exemplarischen Missionsflugbahn unter verschiedenen Störeinflüssen untersucht wird. Die Ergebnisse zeigen, dass jederzeit zielführende Flugzustandsverläufe geplant werden und der Bahnregler auch unter Einfluss von Störungen eine präzise Bahnfolge entlang geometrisch komplexer Flugbahnen ermöglicht.

This thesis presents a novel method of flight path control for highly automated convertible aircraft. The method is implemented and evaluated for a tilt-wing demonstrator aircraft. Convertible aircraft configurations are of particular interest in the future-oriented fields of civil unmanned aircraft systems and on-demand air mobility. They offer both, good flight performance and the ability to land and take-off vertically, which allows them to be operated away from airport infrastructures. However, their wide range of possible flight speeds comes with significant variations in flight mechanics characteristics. Automation of convertible aircraft hence poses a challenging problem.Known approaches to flight control of convertible aircraft allow for fully automated flight operation, but flight path control is limited with regard to flight path geometry and with regard to the utilised range of flight speeds. The flight path controller presented in this thesis allows for flights along arbitrarily shaped flight paths and is able to make use of the entire flight speed range. Extensive flight state adjustments, which are necessary to follow the flight path, are planned ahead by this controller during operation. The planning takes into account the current and changing wind situation, all flight mechanics limitations and the flight path ahead of the aircraft.In this thesis the flight path control system is implemented for a tilt-wing aircraft in the form of a cascade control system. An inner flight state controller addresses the problem of controlling the state of motion relative to the air and an outer flight path controller addresses the problem of controlling the inertial state of motion. A non-linear plant model is developed to describe the special flight mechanics characteristics of the tilt-wing aircraft. To perform the flight state planning, a computationally efficient, specialised algorithm is designed. The control system is evaluated by means of simulation experiments. These experiments include flights along simple flight paths to investigate the general behaviour of the control system as well as flights along an example mission flight path under disturbances to analyse the control performance in a quantitative way. Results show that convenient flight state adjustments are determined at all times and that the control system is able to guide the aircraft along complex flight paths precisely, even under the influence of disturbances.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
German

Externe Identnummern
HBZ: HT019534688

Interne Identnummern
RWTH-2017-10495
Datensatz-ID: 710450

Beteiligte Länder
Germany