Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters Kolloquium zur Erlangung des Abschlusses Bachelor of Science in Computer Science Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters Christoph Peters

Inhalt Der Quadrokopter Thema und Aufgabenstellung Flugvisualisierung Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Inhalt Der Quadrokopter Thema und Aufgabenstellung Flugvisualisierung Modellbildung (Echtzeit-) Simulation Zusammenfassung Demonstration 2 / 30

Der Quadrokopter VTOL-Fahrzeug 4 Rotoren in einer Ebene Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Der Quadrokopter VTOL-Fahrzeug 4 Rotoren in einer Ebene 2 linksdrehend, 2 rechtsdrehend Drehzahlgesteuert (Pitch möglich) Vortrieb durch Neigung der Rotorebene 3 / 30

Der Quadrokopter Open-source and commercial Projects: 9 non-commercial Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Der Quadrokopter Open-source and commercial Projects: (http://multicopter.org/wiki/Multicopter_Table) 9 non-commercial 16 commercial 4 / 30

Der Quadrokopter Prinzipielle Steuerung (Schwebeflug) rechts links 1/2 Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Der Quadrokopter Prinzipielle Steuerung (Schwebeflug) rechts links 1/2 yaw roll 1/2 linksdrehend rechtsdrehend Schub / Drehzahl vorne hinten 1/2 nick 5 / 30

Thema / Aufgabenstellung Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Thema / Aufgabenstellung 1.) Modellbildung: - Identifikation der Zustandsgrößen - Beschreibung relevanter Effekte - Eingabe in Matlab/Simulink => Bewegungsgleichungen 6 / 30

Thema / Aufgabenstellung Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Thema / Aufgabenstellung 2.) Simulation: - Abgleich mit Messdaten der Realität - Test aller Freiheitsgrade - Visuelle Aufbereitung - Echtzeit 7 / 30

Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Flugvisualisierung 8 / 30

Flugvisualisierung mit C# Eingesetzte Entwicklungssoftware: + Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Flugvisualisierung Eingesetzte Entwicklungssoftware: mit C# + 9 / 30

Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Flugvisualisierung 10 / 30

Flugvisualisierung Geometriedefinition (Dreiecke) Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Flugvisualisierung Geometriedefinition (Dreiecke) Lichtquelle (Global, Streulicht, Punktlicht) Materialeigenschafen Texturierung Alpha-Blending (Transparenz) Wavefront Obj-Format TCP/IP-Schnittstelle RS232-Schnittstelle (Echtzeitanimation) 11 / 30

Modellbildung Was soll modelliert werden? Die Motoren Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Was soll modelliert werden? Die Motoren Schubverhalten an den Luftschrauben Bewegungsgleichungen Umwelteinflüsse 12 / 30

Modellbildung Grobschema des Quadrokopters Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Grobschema des Quadrokopters 13 / 30

(Beispiel: 90° nick, dann yaw) Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Koordinatensystem 2 Koordinatensysteme (Frames) sind notwendig! Flugzeugfestes System Erdfestes System (geodätisches) (nach Flugfahrtnorm DIN 9300) (Beispiel: 90° nick, dann yaw) 14 / 30

Modellbildung u y x Die Zustandsübergangsfunktion (allgemein) Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Die Zustandsübergangsfunktion (allgemein) x u y 15 / 30

Modellbildung Zustandsgrößen Eingangsgrößen Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Zustandsgrößen Eingangsgrößen 16 / 30

Modellbildung Antriebe / Ersatzschaltbild Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Antriebe / Ersatzschaltbild 17 / 30

Modellbildung Feinabstimmung mit Realverhalten Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Feinabstimmung mit Realverhalten 18 / 30

Modellbildung Standschubkennlinie (keine Luftanströmung) Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Standschubkennlinie (keine Luftanströmung) 19 / 30

Modellbildung Stromfadentheorie Bernoulli / Schubformel Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Stromfadentheorie Bernoulli / Schubformel 20 / 30

Modellbildung Flugzustände Steigflug Langsamer Sinkflug Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Flugzustände Steigflug Langsamer Sinkflug Wirbelringstadium 21 / 30

Modellbildung Bewegungsgleichung (Grundgesetze) Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Bewegungsgleichung (Grundgesetze) 22 / 30

Modellbildung Bewegungsgleichung (rotatorisch) Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Bewegungsgleichung (rotatorisch) 23 / 30

Modellbildung Drehmomente (Yaw) Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Drehmomente (Yaw) 24 / 30

Modellbildung Translation Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Translation 25 / 30

Modellbildung Bodenkontakt Vertikal: Feder-Dämpfer Horizontal: Dämpfer Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Bodenkontakt Vertikal: Feder-Dämpfer Horizontal: Dämpfer Abhängigkeiten: Geschwindigkeit im erdfesten System Höhe (erdfest) 26 / 30

Modellbildung Resultat in Matlab Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Modellbildung Resultat in Matlab 27 / 30

Echtzeitsimulation Real-Time Windows Target TS = 1ms Runge-Kutta-4 Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Echtzeitsimulation Real-Time Windows Target TS = 1ms Runge-Kutta-4 28 / 30

Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Zusammenfassung 29 / 30

Modellbildung und Simulation eines Quadrokopters – Christoph Peters Demonstration … 30 / 30