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Autonome Stabilisierung eines Quadrokopters

  • Quadrokopter sind Helikopter mit vier in einer Ebene angeordneten Rotoren. Kleine unbemannte Modelle, die oft nur eine Schubkraft von wenigen Newton erzeugen können, sind im Spielzeug- und Modellbaubereich beliebt, werden aber auch von Militär und Polizei als Drohne für Aufklärungs- und Überwachungsaufgaben eingesetzt. Diese Diplomarbeit befasst sich mit den theoretischen Grundlagen der Steuerung eines Quadrokopters und entwickelt darauf aufbauend eine kostengünstige Steuerplatine für einen Modellquadrokopter. Die theoretischen Grundlagen enthalten eine Untersuchung der Dynamik eines frei fliegenden Quadrokopters, bei der Bewegungsgleichungen hergeleitet und mit den Ergebnissen verglichen werden, die in "Design and control of quadrotors with application to autonomous flying" ([Bou07]) vorgestellt wurden. Weiterhin wird die Funktionsweise verschiedener Sensoren beschrieben, die zur Bestimmung der aktuellen räumlichen Ausrichtung geeignet sind, und es werden Verfahren besprochen, mit denen die Ausrichtung aus den Messwerten dieser Sensoren abgeschätzt werden kann. Zusätzlich wird in den Schiefkörper der Quaternionen eingeführt, in dem dreidimensionale Rotationen kompakt dargestellt und effizient verkettet werden können. Daran anschließend wird die Entwicklung einer einfachen Steuerplatine beschrieben, die sowohl einen autonomen Schwebeflug als auch Fernsteuerung ermöglicht. Die Platine wurde auf einem X-Ufo-Quadrokopter der Firma Silverlit entwickelt und getestet, der daher ebenfalls vorgestellt wird. Die eingesetzten Bauteile und deren Zusammenspiel werden besprochen. Dabei ist insbesondere die WiiMotionPlus hervorzuheben, die als kostengünstiges Gyrosensormodul verwendet wird. Daneben werden verschiedene Aspekte der Steuersoftware erläutert: die Auswertung der Sensordaten, die Zustandsschätzung mit Hilfe des expliziten komplementären Filters nach Mahony et al. ([MHP08]), die Umsetzung des Ausrichtungsreglers sowie die Erzeugung der Steuersignale für die Motoren. Sowohl die Steuersoftware als auch Schaltplan und Platinenlayout der Steuerplatine liegen dieser Arbeit auf einer CD bei. Schaltplan und Platinenlayout sind zusätzlich im Anhang der Arbeit abgedruckt.

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Metadaten
Author:Simeon Maxein
URN:urn:nbn:de:kola-6667
Referee:Dietrich Paulus, Merten Joost
Document Type:Diploma Thesis
Language:German
Date of completion:2012/08/13
Date of publication:2012/08/13
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Release Date:2012/08/13
Number of pages:VI, 99
Institutes:Fachbereich 4 / Fachbereich 4
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG