Diese Studie präsentiert eine neuartige Steuerungsstrategie für Drohnen mit Hängelast, die auf der Verwendung von Dual-Quaternionen basiert. Dual-Quaternionen ermöglichen eine effiziente und kompakte Darstellung der Kinematik und Dynamik des Systems, bestehend aus Drohne und Hängelast.
In der Einleitung wird der Forschungsstand zu Steuerungsansätzen für Drohnen mit Hängelast dargelegt. Bisherige Arbeiten verwendeten meist geometrische Kontrollverfahren, die auf der speziellen euklidischen Gruppe SE(3) definiert sind. Die Autoren argumentieren, dass die Verwendung von Dual-Quaternionen zusätzliche Vorteile bietet, wie höhere Recheneffizienz, mathematische Kompaktheit und Vermeidung von Singularitäten.
Im nächsten Abschnitt werden die Annahmen für das Cargo-Drohnen-System sowie die mathematischen Grundlagen von Dual-Quaternionen erläutert. Darauf aufbauend wird das dynamische Modell des Systems hergeleitet, das je nach Zustand des Seils (schlaff oder straff) unterschiedlich formuliert wird.
Der Kern des Beitrags ist die Entwicklung einer neuartigen Steuerungsstrategie für das Cargo-Drohnen-System unter Verwendung von Dual-Quaternionen. Dabei wird der Hebeprozess in drei Modi (Setup, Pull, Raise) unterteilt, um die Dynamik in den jeweiligen Phasen separat zu behandeln. Für jeden Modus wird ein entsprechendes Steuergesetz hergeleitet.
Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird anhand von zwei Simulationsszenarien evaluiert. Im ersten Szenario wird der gesamte Hebeprozess und die anschließende Trajektorienregelung der Hängelast demonstriert. Das zweite Szenario untersucht die Robustheit des Steuerungsverfahrens gegenüber Systemunsicherheiten und Störungen im Vergleich zu einem geometrischen Kontrollansatz.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Dual-Quaternionen-basierte Steuerung in der Lage ist, den Hebeprozess und die Trajektorienregelung der Hängelast präzise und robust umzusetzen. Der Vergleich mit dem geometrischen Kontrollverfahren belegt die Überlegenheit des neuen Ansatzes.
Abschließend diskutieren die Autoren die Beiträge ihrer Arbeit und skizzieren mögliche zukünftige Forschungsrichtungen, wie die Berücksichtigung von Offset-Effekten zwischen Drohne und Hängelast.
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by Yuxia Yuan,M... alle arxiv.org 04-12-2024
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