A System of Autonomously Flying Helicopters for Load Transportation

Bernard, Markus GND

Die Arbeit beschreibt Entwurf, Umsetzung und Validierung eines autonomen Lastentransportsystems, welches auf Basis mehrerer Modellhubschrauber realisiert wurde. Abhängig von den Anforderungen der zu transportierenden Last kann die Anzahl der verwendeten Hubschrauber individuell angepasst werden. Die präsentierten Modelle und Regler wurden durch Computersimulationen und reale Flugversuche verifiziert. Zwei nichtlineare Modelle werden präsentiert: Ein Model für Konfigurationen bestehend aus einem Helikopter und einer Last (single-lift) und eines für Konfigurationen bestehend aus zwei bzw. mehreren Helikoptern und einer Last (dual- und multi-lift). Neben diesen komplexen Modellen werden vereinfachte Modelle vorgestellt, die für den Reglerentwurf verwendet werden. Ein generischer Orientierungsregler wird entwickelt, der für die Regelung aller beschriebenen Transportkonfigurationen verwendet werden kann. Durch die Nutzung dieses Reglers vereinfacht sich der Entwurf der Translationsregler erheblich. Drei Translationsregler werden beschrieben: Ein Regler für single-lift Konfigurationen, der eine aktive Unterdrückung von Lastschwingungen erlaubt, und ein verteilter Regler für multi-lift Konfigurationen. Weiterhin wird ein dual-lift Regler präsentiert, der eine Kombination der anderen Regler darstellt. Die Regler für dual- und multi-lift Konfigurationen verwenden keine mechanischen Hilfskonstrukte wie Abstandshalter. Die Position der Last wird durch die Orientierung des Seils, gemessen nahe dem Helikopterrumpf, bestimmt. Externe Störungen wie Windstöße können eine Eigenschwingung des Seils anregen, welche die ermittelte Lastposition verfälscht. Die Eigenschwingung des Seils sowie der Einfluss der verwendeten Messeinrichtung werden analysiert. Auf Basis dieser Analyse wird ein Lastbeobachter entwickelt und in mehreren Experimenten verifiziert. Dieser Lastbeobachter ist von essentieller Wichtigkeit für den sicheren Betrieb des Lastentransportsystems, insbesondere bei schlechten Wetterbedingungen. Die entwickelten nichtlinearen Modelle des Systems wie auch die Regler der single- und multi-lift Konfigurationen wurden durch Flugversuche validiert. Dabei hat das System bewiesen, dass es auch bei sehr schlechten Wetterbedingungen einsetzbar i

This work covers the design, realization and validation of an autonomous load transportation system, utilizing several small size helicopters. The number of participating helicopters is configurable for the described system, depending on the requirements of the transported load. The presented models and controllers have been validated in computer simulation and flight experiments. Two non-linear models are presented: One model covers single-lift and one model covers dual- and multi-lift configurations. Simplified models are introduced beside the complex models, which are utilized for the translation controller design. A generic orientation controller is presented, which is applicable for the control of all presented slung load configurations. The utilization of this controller significantly simplifies the design of the translation controllers. The independence from the actual slung load configuration is achieved through measurement of the rope force vector in the rope attachment point, which is located on the helicopter fuselage. Three translation controllers are described: A controller for single-lift configurations, which allows the active compensation of load oscillations and a distributed controller for multi-lift configurations. A dual-lift translation controller is presented, which resembles a combination of single- and multi-lift translation controller. The presented controllers for dual- or multi-lift configurations do not utilize auxiliary constructs, like spreader-bars. The position of the load is estimated from the measured orientation of the rope, close to the helicopter fuselage. External disturbances, like wind gusts, are able to stimulate internal oscillations of the rope, which disturb the estimated load position. The internal motion of the rope as well as the influence of the used measurement device are analyzed and a flexible rope model is presented. Based on the results a load motion observer is developed and validated in several experiments. This load motion observer is essential for the safe operation of the slung load system, especially during bad weather conditions. The derived non-linear models of the system as well as the proposed controllers for single- and multi-lift configurations have been validated in flight experiments. The system has been proven to be operable even in presence of adverse weather conditions.

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Bernard, Markus: A System of Autonomously Flying Helicopters for Load Transportation. 2013.

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