Parameteridentifizierung an kleinen, ferngesteuerten Versuchsträgern

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1 Parameteridentifizierung an kleinen, ferngesteuerten Versuchsträgern S. Kirschstein, W. Alles Lehrstuhl für Flugdynamik DGLR Workshop "Systemidentifikation, Parameterschätzung und Optimierung" Ottobrunn, 8. Juni 2005

2 Übersicht Anmerkungen zur Freiflugtechnik Parameteridentifizierung am Raumflugzeug ELAC Erweiterung der Versuchstechnik für PHOENIX Identifizierung instationärer aerodynamischer Modelle Identifizierung an Mikroflugzeugen Zusammenfassung

3 Anmerkungen zur Freiflugtechnik Aufgabe: Ermittlung flugmechanisch-aerodynamischer Eigenschaften von unkonventionellen Konfigurationen Lösungen: Windkanalversuche: aufwändig bei dynamische Versuchen Flugversuche: mit Drop-Modellen/Prototypen: großer Aufwand Freiflugtechnik: kostengünstig durch Selbststart oder unbem. Träger Einsatz marktverfügbarer Komponenten (Sens., Akt.) geringer Versuchsaufwand (Modellflugplatz, Personal) kein Zulassungsaufwand (Masse kleiner 25 kg)

4 Lehrstuhl für Flugdynamik Parameteridentifizierung am Raumflugzeug ELAC Flugprofil der Meßflüge

5 Parameteridentifizierung am Raumflugzeug ELAC Gierrollmomentenderivativ Rollgiermomentenderivativ Rechnung aus: Jackson, E.B., Cruz, C.I. Preliminary Subsonic Aerodynamic Model for Simulation Studies of HL-20 Lifting Body NASA TM-4302, 1992 HL-20

6 Erweiterung der Versuchstechnik für PHOENIX Aufgabenstellung: Parameteridentifizierung am Beispiel PHOENIX unter möglichst realistischen Bedingungen: teilweise längsinstabile Auslegung sehr hohe Flächenbelastung (G/S ~ 180 N/m^2) geringe Modellgröße / große Abwurfhöhe Regelung notwendig Vollautomatischer Flug des Freiflugmodells Landung am Fallschirm

7 Lehrstuhl für Flugdynamik Erweiterung der Versuchstechnik für PHOENIX PHOENIX-Freiflugmodell im Maßstab 1:7: Prandtl-Rohr Abwurfhaken Technische Daten: einziehbare 5-Loch-Sonde Rumpflänge: 0.85 m Masse: 3.8 kg Integrierter Fallschirm auswechselbare Crash-Nase

8 Lehrstuhl für Flugdynamik Erweiterung der Versuchstechnik für PHOENIX Potentiometer in den Ruderachsen 3 Gyros LiIo-Stromversorgung 3-Achs-B-Messer Messverstärker Telemetrie (24 Kanäle, 12 bit) 4 Drucksensoren (1x absolut, 3x differenz)

9 Erweiterung der Versuchstechnik für PHOENIX Reglerfunktionen: Künstliche Stabilisierung durch Rückführungen der Drehraten und der vertikalen und lateralen Beschleunigungen Roll-Lageregelung (Bahnführung) Trimmregler Freiflugmodell Regler-Hard- und Software: Bodengestütztes Controller-Board Telemetrie- / Telekommandostrecke Implementierung der Algorithmen in Matlab/Simulink, dspace Telemetrie Telekommando Regelungsrechner

10 Erweiterung der Versuchstechnik für PHOENIX Versuchsablauf: Anregungssignal: Schleppflug / Abwurf Austrimmen LB-Manöver SB-Manöver Abfangmanöver Fallschirmbergung

11 Erweiterung der Versuchstechnik für PHOENIX

12 Erweiterung der Versuchstechnik für PHOENIX Statische Derivative: Vergleichsstudie* X-24B: C 15% 20% Aα C Aα C nβ 12% C nβ 25% *A.G. Sim, A Correlation Between Flight- Determined Derivatives and Wind-Tunnel Data for the X-24B Reasearch Aircraft, NASA TM , 1997

13 Erweiterung der Versuchstechnik für PHOENIX Dämpfungsderivative: Vergleichsstudie* X-33: mq C 30% C 80% mq C nr 25% C nr 40% *B.R. Cobleigh, Development of the X-33 Aerodynamic Uncertainty Model, NASA TP , 1998

14 Identifizierung instationärer aerodynamischer Modelle In Windkanalversuchen erwiesen sich viele Derivative als frequenzabhängig! Phoenix im Windkanal mit - drahtloser Signalübertragung - dezentraler Signalverarbeitung

15 Identifizierung instationärer aerodynamischer Modelle Erklärungsansatz: Höhe der abgelösten Vorderkantenwirbel über dem Flügel und der Ablöseort sind abhängig vom Anstellwinkel Aufplatzort der Wirbelkerne ist ebenfalls abhängig vom Anstellwinkel Vorgänge erfolgen phasenverschoben gegenüber einer Anstellwinkeländerung

16 Identifizierung instationärer aerodynamischer Modelle Ziel: Modellierung der instationären Anteile durch Übertragungsfunktionen Bsp. Nickmoment: a mα s Cm(s) Cm0 + Cm α α(s) + α(s) + C 1+ T s a mη s η(s) + η(s) + (C 1+ T s = mη mα& mα mη Bsp. Auftrieb: C A (s) C + C a Aα s α(s) + α(s) + C 1+ T s a Aη s η(s) + η(s) + (C 1+ T s = A0 Aα Aη Aα& Aα Aη + C + C mq Aq ) q(s) ) q(s) L V L V

17 Identifizierung instationärer aerodynamischer Modelle Schrittweises Vorgehen zur Bestimmung der unbekannten Parameter: 1. Berechnung des Ausganges der Ü-Funktionen für gegebene Zeitkonstanten s α(s) Λ α = α Λ& α + Λ α = α& A TA A A 1+ T s Aα T τ = T Aα Aη T 1 T 2....ergibt lineare Regressionsgleichung mit dem Lösungsvektor θ = (X X) X Y C A = CA0 + CA α α + a Aα ΛA α + CA η η + a Aη ΛA η + (CA α& + C Aq ) q 3. Berechnung einer Kostenfunktion für die gegebenen Zeitkonstanten L V J = N i= 1 (CA (i) θ X(i) ) 2 4. Minimierung der Kostenfunktion durch iterative Berechnung der Zeitkonstanten mit einem Quasi-Newton-Verfahren: τ k+ 1 = τ k H 1 k J( τ k )

18 Identifizierung instationärer aerodynamischer Modelle Ergebnisse: Teilweise ungenügende Übereinstimmung mit Windkanaldaten und große Standardabweichung aufgrund schlechterer Qualität der Messdaten geringerer Anzahl von Messpunkten im Vergleich zum Windkanalversuch.

19 Lehrstuhl für Flugdynamik Identifizierung an Mikroflugzeugen Mehrjährige Forschungstätigkeit am Lehrstuhl für Flugdynamik im Bereich Auslegung und Automatisierung von Mikroflugzeugen (Micro Air Vehicles) Problematik bei der Modellbildung: Handbuchverfahren nicht optimal für geringe Re-Zahlen z.t. sehr unkonventionelle Konfigurationen Aerodynamik bei niedrigen Re-Zahlen und hochagilen Fluggeräten Ziel: Identifikation aus Flugversuchsdaten Twin-Wing-Konfiguration Schwebeflugfähiges MAV

20 Identifizierung an Mikroflugzeugen Messtechnik auf MEMS-Technik basierend: 3 Gyros 3-Achs-Beschleunigungsmesser Drucksensoren Signalaufbereitung geringe Signalqualität Identifizierung nur mit sehr guten Sensorfehlermodellen möglich erste Versuche zur Vermessung eines MEMS-Luftdatensystems erfolgt Antwort auf Höhenruderimpuls

21 Zusammenfassung Die Freiflugtechnik stellt eine kostengünstige Ergänzung zu konventionellen Flugversuchsverfahren dar Moderne Mikrosensortechnik erlaubt die Identifizierung aerodynamischflugmechanischer Parameter aus den Messdaten Die Qualität der Identifizierten Parameter ist vergleichsweise gut Durch den Einsatz von Regelungssystemen können auch instabile Konfigurationen mit hoher Flächenbelastung untersucht werden Die zukünftige Identifizierung an MAVs erfordert großen Aufwand in der Bereitstellung von geeigneten Sensorfehlermodellen