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Bachelorarbeit Systemidentifikation eines manntragenden Multikopters mit Einbindung eines Joysticks |
Wintersemester 2017/18 Fatih Özdemir |
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Bachelorarbeit Systemidentifikation eines manntragenden Multikopters mit Einbindung eines Joysticks |
Wintersemester 2017/18 Fatih Özdemir |
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Multikopter: Laut Spezialisten werden in 4
bis 5 Jahren elektrische Flugtaxis in den meisten Großstädten der
Welt zum Einsatz kommen. Denn die Entwicklung der
Batterietechnologie geht sehr schnell voran. Es wird vermutet, dass
bereits in 10 Jahren eine Massenproduktion im Bereich der
elektrischen Luftfahrt geben wird. Viele Unternehmen befinden sich
bereits im Wettkampf. Einige haben schon Prototypen mit erfolgreichen
Testflügen der Öffentlichkeit vorgestellt. Lilium Jet: Die bayerische Firma Lilium GmbH entwickelt derzeit das weltweit erste senkrechtstartende Elektroflugzeug. Der erste unbemannte maßstabgetreue Prototypflug war bereits im April 2017. Das Flugzeug wird durch 36 elektrische Triebwerke angetrieben. 24 dieser Triebwerke befinden sich in beweglichen Klappen an den Flügelhinterkanten. Beim Start sind diese Klappen senkrecht zum Boden gerichtet. Sobald das Elektroflugzeug abhebt und die gewünschte Höhe erreicht, werden die Triebwerke an den Flügeln in eine horizontale Position gebracht, um den Vorwärtschub zu ermöglichen. Das 2-Sitzige Luft-Taxi soll eine Reichweite von 300 Km haben. Da es mit Flügelauftrieb fliegen kann, sind laut Hersteller Geschwindigkeiten bis zu 300Km/h erreichbar. Die Vision des bayerischen Unternehmens ist bis 2025 der offizielle Einsatz eines fünfsitzers in der Luftfahrt als Taxi. Ehang 184: Der chinesische Hersteller Ehang soll bereits in Dubai und in den USA erfolgreiche Testflüge absolviert haben. Angetrieben wird das Ein-Mann-Taxi durch 8 Propeller. In der Kabine befindet sich ein Tablet mit dem man das gewünschte Reiseziel eingibt. Gesteuert wird der Flug autonom. Der Hersteller garantiert eine Reisezeit bis zu 30 Minuten und eine Geschwindigkeit bis zu 100Km/h. Die Nachteile sind, Passagier plus Gepäck dürfen maximal 100Kg wiegen und beim Flug kann der Passagier nicht selbst eingreifen. Nur ein Kontrollzentrum kann den Kurs ändern oder im Notfall landen. Volocopter 2X: Den weltweit ersten bemannten elektrischen Prototypflug gelangte der badischen Firma Volokopter in Bruchsal. Es ist der erste Multikopter dem eine bemannte Zulassung erteilt wurde. In der Kabine gibt es Platz für zwei Personen und gesteuert wird er ganz einfach mit einem Joystick. Angetrieben wird der Volokopter durch 18 Propeller, versorgt durch 9 Hochleistungsbatterien. "Da alle 18 Rotoren akustisch in einem engen Frequenzband liegen, erscheinen sie dem menschlichen Gehör nur ca. doppelt so laut wie ein Einzelner. Zum Vergleich: Ein Volocopter 2X ist bereits in 75 Metern Entfernung so leise wie ein Kleinsthubschrauber in 500 Metern Entfernung." So beschreibt der Hersteller, wie leise sein Volocopter ist. Fliegen kann das Flugtaxi ca. 30 bis 60 Minuten und die Höchstgeschwindigkeit beträgt 100Km/h. Ziel des Unternehmens ist in zehn Jahren jährlich 10.000 bis 20.000 Volocopter zu bauen. Demnächst soll eine fünfjährige Testphase in Dubai stattfinden, um zu erproben wie der autonome Transport funktionieren könnte. Quellen: https://www.n-tv.de/mediathek/videos/wirtschaft/Boeing-kauft-Flugtaxi-Entwickler-Aurora-article20069728.html http://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/neue-mobilitaet/testbetrieb-von-taxi-drohnen-startet-in-dubai-14879022.html https://lilium.com/mission/ http://www.aero.de/news-26541/Lilium-Jet-absolviert-unbemannten-Erstflug.html http://www.rp-online.de/wirtschaft/dubai-testet-fliegende-taxis-aid-1.6989525 http://www.zeit.de/2017/01/volocopter-deutsche-taxidrohne-konkurrenz-china https://www.volocopter.com/de/product/ Joysticks: Man kann es auch Sidestick, Steuerknüppel, Steuerhebel oder Steuerhorn nennen. Das Prinzip ist jedoch gleich. Der Joystick ist ein Eingabegerät, das bestimmte Informationen für das Steuern einer Maschine weiter gibt. Zum Einsatz kommen sie in der Luft- und Raumfahrt, Automobilität, Industrie oder in Videospielen. Hersteller garantieren heutzutage sehr robuste Joysticks bis zu 10 Mio. Schaltspiele oder Betriebstemperaturen von -50°C bis zu 80°C sowie sehr präzise Steuerungen mit 16 Bit Werten(d.h. 65536 Zustände pro Achse). Es gibt zwei grundlegende Arten von Joysticks, zum einen in digitaler und zum anderen in analoger Ausführung. Die Ausrichtung wird bei digitalen Joysticks erkannt durch Mikroschalter, mit den Zuständen an oder aus. Eine Messung von Auslenkungswinkel oder Betätigungsdruck sind nicht möglich. Bei analogen Joysticks wird der Auslenkungswinkel oder Betätigungsdruck gemessen. Die ergebenen Analogspannungen werden dann in digitale Signale umgewandelt. Somit kann man für jede Achse Werte von 8 Bit bis zu 16 Bit erzeugen. Für die Messungen des Auslenkungswinkels gibt es zwei Verfahren. Zum einen ein Potentiometer als einstellbarer Spannungsteiler und zum anderen ein Hall-Sensor mit dem man durch Änderung des Magnetfeldes die Spannung misst. Der Potentiometer ist so aufgebaut, dass der Spannungsteiler aus einem elektrisch nicht leitenden Träger besteht. Auf dem Träger ist ein Widerstandsmaterial mit zwei Anschlüssen an beiden Enden und ein beweglicher Schleifer, der den elektrischen festen Gesamtwiderstand mechanisch in zwei Teilwiderstände aufteilt. Die Ausgangsspannung wird dann durch einen Mikrocontroller in digitale Werte umgewandelt. Trotz des nicht kontaktlosen Messverfahrens können Potentiometer mit ihrer Lebensdauer auch mit kontaktlosen Hall-Sensoren mithalten. 
Bei Hall-Sensoren tritt der Hall-Effekt auf, wenn ein stromdurchflossener Leiter sich in einem Magnetfeld befindet, wobei sich ein elektrisches Feld aufbaut, das zur Stromrichtung und Magnetfeld senkrecht steht und das die auf die Elektronen wirkende Lorentzkraft kompensiert. Genauer betrachtet, werden die Elektronen im Leiter wegen der Lorentzkraft, die durch das Magnetfeld erzeugt wird, senkrecht zur Bewegungsrichtung abgelenkt. Dadurch kommt es auf der entsprechenden Seite des Leiters zu einem Elektronenüberschuss und auf der anderen Seite zu einem Elektronenmangel. Dieser Effekt erzeugt im Leiter ein elektrisches Feld, das eine Kraft auf die Elektronen bewirkt, die der Lorentzkraft entgegengerichtet ist. Wie beim Kondensator kann man nun die abgelieferte Spannung messen. Die gemessene Spannung wird anschließend mittels Mikrocontroller in digitale Werte umgewandelt. 
Fly-by-wire: Fly-by-light: Quellen: http://systemdesign.ch/wiki/Potentiometer https://de.wikipedia.org/wiki/Potentiometer https://de.wikipedia.org/wiki/Hall-Effekt http://www.chemie.de/lexikon/Hall-Effekt https://de.wikipedia.org/wiki/Hall-Konstante |
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