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Physik | Technik
Julian Lotzer, 2004 | Effretikon, ZH
Ziel dieser Arbeit ist es, ein VTOL (Vertical Take-Off and Landing) Fluggerät («Hubstrahlgerät») zu bauen, welches modellhaft die Steuerung einer Rakete im Landemodus simuliert. Als Antrieb dient ein Impeller (ein von einer Röhre umschlossener Propeller, auch Electric Ducted Fan genannt). Das Hauptkonzept ist dabei die Anwendung einer sogenannten Thrust-Vector-Control-Steuerung (Schubvektorensteuerung). Die Entwicklung des ganzen Fluggerätes fand von Grund auf statt. Der Gebrauch von CAD-Software und 3D-Druck ermöglichte hierbei eine schnelle und iterative Vorgehensweise. Auch die Entwicklung und Produktion eines eigenen Flugcomputers mit unterschiedlichen Sensoren und Hardware ist ein weiterer Bestandteil dieser Arbeit. Für die Regelung wurde ein LQG-Controller (linear-quadratic-gaussian regulator) hergeleitet und implementiert. Das Fluggerät war schliesslich in der Lage, stabil in der Luft zu bleiben und die Höhe autonom zu regeln. Auf dem Weg dahin mussten viele Probleme gelöst und vielfältige Herausforderungen überwunden werden.
Fragestellung
Die zentrale Fragestellung dieser Arbeit war: Wie kann man Thrust Vector Control im Rahmen eines Hubstrahlgerätes einsetzen und was wird alles für die Regelung benötigt, um einen stabilen Flug zu ermöglichen?
Methodik
Das Fluggerät wurde vollständig in einem CAD-Programm entworfen. Ein 3D-Drucker kam für die Produktion der meisten Teile zum Einsatz. Der «Thrust Vector Control» – Mechanismus konnte vollständig selbst entwickelt werden und erlaubt eine Schwenkung der Düse in alle Richtungen. Zusätzlich ermöglichen kleine, steuerbare Flügel im Inneren der Düse die Kontrolle der Drehung des Fluggerätes um die Vertikalachse. Darüber hinaus wurde noch ein Flugcomputer entwickelt. Hierfür war der Entwurf einer PCB-Leiterplatte mit den passenden Komponenten und Sensoren erforderlich. Das fertige Fluggerät ist 0.7 m hoch und wiegt 2.03 kg. Ein LQG-Regler diente als Regelungsalgorithmus. Dafür mussten zuerst die Bewegungsgleichungen des Fluggerätes aufgestellt werden und anschliessend wurde ein LQ-Regler mithilfe von MATLAB entworfen. Des Weiteren fand die Implementierung eines sogenannten “Kalman-Filters” Anwendung. Dieser Filter schätzt aus den (verrauschten) Sensordaten der Beschleunigung und Flughöhe die Geschwindigkeit. Der Code für den Flugcomputer wurde von Grund auf entwickelt und getestet. Des Weiteren sorgte die Programmierung einer Smartphone-App für eine einfache Steuerung des Hubstrahlgerätes durch das Senden von Befehlen über eine WLAN-Verbindung.
Ergebnisse
Das Fluggerät war schliesslich in der Lage, stabil in der Luft zu bleiben und die Höhe mithilfe eines Höhensensors zu regeln. Auch der Start- und Landevorgang geschieht autonom. Es konnte gezeigt werden, dass das selbstentwickelte Thrust Vector Control System mit dem Regelungsalgorithmus funktioniert und das Fluggerät mithilfe eines «Time of Flight» – Sensors und einer IMU stabil in aufrechter Position halten kann. Hierfür musste auch viel Code geschrieben werden und mehrere hunderte Testflüge absolviert werden.
Diskussion
Es ist gelungen, ein funktionierendes Fluggerät mit Thrust-Vector-Control zu bauen. Viele Probleme konnten überwunden werden, einige kleine sind noch vorhanden. So bleibt das Hubstrahlgerät zwar schon stabil in der Luft, jedoch hat die Lösung zur Kompensation des erzeugten Drehmoments durch den Impeller noch Entwicklungspotential. So ist der Ausgleich durch die Auslenkung der Flügel in der Düse nicht sehr effizient und bei der Beschleunigung und Entschleunigung des Propellers wird das Drehmoment nicht präventiv ausgeglichen, sondern erst im Nachhinein nach Registrierung einer Drehung durch die Sensoren kompensiert. Eine Weiterentwicklung wäre hier zum Beispiel ein Ansatz, bei dem die Leistung des Impellers gemessen wird, um das Drehmoment beim Start und bei der Landung schneller auszugleichen. Auch kann der Steuerimpuls auf zwei oder vier bewegbare Flügel statt nur einen ausgeweitet werden, um die Drehung stärker beeinflussen zu können. Der Effekt des «Vortex Ring States» bei diesem Fluggerät kann auch noch näher untersucht werden, um die Stabilität und Sicherheit bei der Landung zu verbessern.
Schlussfolgerungen
Die Arbeit ermöglichte es mir, kreativ zu sein und auch unkonventionelle Ansätze für die Umsetzung anzuwenden. Es ging mir weniger darum, ein direkt praktisch anwendbares Endprodukt zu entwickeln, sondern vielmehr darum, das Konzept des Thrust-Vector-Controls an einem Hubstrahlgerät zu erforschen, was letztlich auch im Rahmen der Raketentechnologie Relevanz besitzt.
Würdigung durch den Experten
Andreas Reinhard
Fasziniert von der senkrechten Landung ausgebrannter Raketenstufen wie bei SpaceX entschloss sich Julian, diesen doch relativ komplexen Balanceakt mit einem elektrischen Versuchsträger nachzubilden. Dazu vertiefte er sich engagiert wie äusserst gründlich in die theoretischen Grundlagen wie Bewegungsgleichungen oder «Vortex Ring State». Toll, dass Julian der ambitiösen Linie folgte, auch beim Bau möglichst alle Schritte mit Kopf & Hand zu durchdringen – z.B. wichtige Teile am CAD zu entwerfen und zu drucken. Unvergesslich wohl auch die Lektion, dass «vor dem Komma» wichtiger ist als «dahinter».
Prädikat:
sehr gut
Rämibühl-MNG, Zürich
Lehrerin: Dr. Axelle Krayenbühl-Tapponnier