Zuverlässiges Heli-Quad mit voller Lageregelung bei vollständigem Ausfall eines Antriebs

核心概念

Ein Heli-Quad-Fluggerät mit variabler Propellersteigung und profiliertem Propellerblatt kann auch bei vollständigem Ausfall eines Antriebs eine volle Lageregelung aufrechterhalten.

要約

Das Heli-Quad-Fluggerät ist ähnlich aufgebaut wie ein herkömmlicher Quadrocopter, hat aber variable Propellersteigung und profilierte Propellerblätter. Dadurch kann es auch bei vollständigem Ausfall eines Antriebs eine volle Lageregelung aufrechterhalten.
Der Schlüssel dazu ist der Einsatz von profilierter Propellergeometrie, die im Vergleich zu symmetrischen Profilen ein deutlich höheres Drehmoment erzeugt. Dies ermöglicht es, den Ausfall eines Antriebs durch die drei verbleibenden Antriebe zu kompensieren.
Es wurde ein intelligentes, fehlertolerantes Regelungskonzept entwickelt, das aus einer äußeren Positionsregelung, einer inneren Lagewinkelregelung und einem neuronalen Netzwerk zur Steuerallokation besteht. Das neuronale Netzwerk approximiert die nichtlineare Beziehung zwischen Steuereingängen und Antriebskommandos.
Hochgenaue Software-in-the-Loop-Simulationen zeigen, dass das Heli-Quad auch bei vollständigem Ausfall eines Antriebs eine Positionsregelung ähnlich wie im Normalbetrieb aufrechterhalten kann. Die maximale tolerierbare Verzögerung bei der Fehlererkennung und -isolierung wurde empirisch auf 180 ms bestimmt.

統計

Die Heli-Quad-Konstruktion ermöglicht eine maximale Nutzlast von etwa 50 Gramm bei einem Gesamtgewicht unter 1 Kilogramm.

引用

"Der Schlüssel zum Erreichen der vollen Lageregelung auch bei Ausfall eines Antriebs ist der Einsatz von profilierter Propellergeometrie, die ein deutlich höheres Drehmoment erzeugt als symmetrische Profile."
"Hochgenaue Software-in-the-Loop-Simulationen zeigen, dass das Heli-Quad auch bei vollständigem Ausfall eines Antriebs eine Positionsregelung ähnlich wie im Normalbetrieb aufrechterhalten kann."

抽出されたキーインサイト

Full Attitude Intelligent Controller Design of a Heliquad under Complete Failure of an Actuator

by Eeshan Kulka... 場所 arxiv.org 03-27-2024

https://arxiv.org/pdf/2011.07529.pdf

深掘り質問

Wie könnte das Heli-Quad-Konzept auf Fluggeräte mit mehr als vier Antrieben erweitert werden, um die Fehlertoleranz weiter zu erhöhen

Um das Heli-Quad-Konzept auf Fluggeräte mit mehr als vier Antrieben zu erweitern und die Fehlertoleranz weiter zu erhöhen, könnte eine Erweiterung auf ein Hexacopter- oder Octocopter-Design in Betracht gezogen werden. Durch die Integration von zusätzlichen Motoren und Propellern kann Redundanz geschaffen werden, um Ausfälle einzelner Antriebe besser zu kompensieren. Ein ähnliches Konzept wie beim Heli-Quad, bei dem die Propeller mit variabler Steigung und cambered airfoil-Design verwendet werden, könnte auf diese erweiterten Fluggeräte angewendet werden, um die volle Kontrolle und Stabilität auch bei Ausfällen zu gewährleisten.

Welche zusätzlichen Herausforderungen ergeben sich, wenn neben dem vollständigen Ausfall auch partielle Ausfälle von Antrieben berücksichtigt werden müssen

Bei der Berücksichtigung von partiellen Ausfällen neben dem vollständigen Ausfall von Antrieben ergeben sich zusätzliche Herausforderungen in Bezug auf die Steuerung und Stabilität des Fluggeräts. Die Steuerungsalgorithmen müssen in der Lage sein, die verbleibenden funktionierenden Antriebe effektiv zu nutzen, um die gewünschte Flugleistung aufrechtzuerhalten. Dies erfordert möglicherweise eine präzisere Überwachung und Anpassung der Steuerungsbefehle, um die asymmetrischen Kräfte und Momente auszugleichen, die durch partielle Ausfälle entstehen. Darüber hinaus müssen die Systeme in der Lage sein, schnell auf sich ändernde Bedingungen zu reagieren und alternative Flugprofile anzupassen, um die Flugsicherheit zu gewährleisten.

Inwiefern lassen sich die Erkenntnisse aus der Entwicklung des Heli-Quad auch auf andere unbemannte Flugsysteme wie Flugzeuge oder Hubschrauber übertragen

Die Erkenntnisse aus der Entwicklung des Heli-Quad-Konzepts können auf andere unbemannte Flugsysteme wie Flugzeuge oder Hubschrauber übertragen werden, insbesondere in Bezug auf die Fehlertoleranz und die Steuerung bei Antriebsausfällen. Die Verwendung von variablen Steigungspropellern und cambered airfoil-Designs zur Verbesserung der Kontrollierbarkeit und Stabilität unter schwierigen Bedingungen kann auch in anderen Flugzeugen und Hubschraubern von Vorteil sein. Die Integration von intelligenten Steuerungsalgorithmen und rekonfigurierbaren Steuersystemen zur Bewältigung von Ausfällen kann die Sicherheit und Zuverlässigkeit von unbemannten Flugsystemen in verschiedenen Anwendungen verbessern.