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Aktive Schwingungsminderung an einem Quadrocopter · PDF fileIII Aufgabenstellung Im Projekt OpenAdaptronik werden Systeme und Methoden zur Schwingungsreduktion an opti-schen und photonischen

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  • Aktive

    Schwingungsminderung an einem Quadrocopter

    Active vibration reduction applied to a quadrocopter

    David Wilczynski | Masterthesis | 2017

    Fachgebiet Systemzuverlssigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik SAM

  • I

    David Wilczynski | 1771626 Mechatronik

    Masterthesis Aktive Schwingungsminderung an einem Quadrocopter Active vibration reduction applied to a quadrocopter

    Eingereicht am: 15.12.2017

    Betreuer: Christopher Gehb, M.Sc. (SAM), Dr.-Ing Torsten Bartel (LBF), Dipl.-Ing. Heiko Atzrodt (LBF)

    Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz Fachgebiet Systemzuverlssigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik SAM Fachbereich Maschinenbau Technische Universitt Darmstadt Magdalenenstr. 4 64289 Darmstadt

  • II

    Erklrung zur vorliegenden Arbeit gem 22/7 und 23/7 APB der TU Darmstadt

    Hiermit versichere ich, die vorliegende Arbeit ohne Hilfe Dritter nur mit den angegebenen Quellen

    und Hilfsmitteln angefertigt zu haben. Smtliche aus fremden Quellen indirekt oder direkt ber-

    nommenen Gedanken sind als solche kenntlich gemacht. Diese Arbeit hat in gleicher oder hnlicher

    Form noch keiner Prfungsbehrde vorgelegen und wurde noch nicht verffentlicht. In der abge-

    gebenen Thesis stimmen die schriftliche und elektronische Fassung berein.

    Ort, Datum

    Name, Vorname

    Thesis Statement pursuant to 22/7 and 23/7 of APB TU Darmstadt

    I hereby declare that I have written the submitted thesis independently without any outside support

    except for the quoted literature and other sources mentioned in the thesis. All the thoughts ac-

    quired and employed, directly or indirectly, from any foreign source are clearly identified and listed

    in the thesis. This work has neither been handed in nor published in the same or similar form be-

    fore. In the submitted thesis the written and electronic version are both identical.

    Ort, Datum

    Name, Vorname

  • III

    Aufgabenstellung

    Im Projekt OpenAdaptronik werden Systeme und Methoden zur Schwingungsreduktion an opti-

    schen und photonischen Systemen fr ein breites Spektrum ambitionierter Anwender entwickelt.

    Strende Schwingungen verringern die Przision optischer Gerte, wie zum Beispiel von Kameras,

    Mikroskope, LIDAR-Sensoren, Teleskope oder Projektoren.

    Adaptronische Systeme ermglichen hochwirksame Lsungen zur Schwingungsreduktion durch die

    Integration von Aktoren, Sensoren und Regelungstechnik. Die eingesetzten Entwicklungswerkzeuge

    und Hardwarekomponenten sollen fr die Anwender kostengnstig, anpassbar und erweiterbar

    sein. Daher wird die Verwendung freier und quelloffener Software, zugnglicher 3D-Drucker und

    gnstiger Elektronikkomponenten angestrebt.

    Ziel der Arbeit ist der Aufbau eines Quadrocopters mit einer aktiv gelagerten Kamera. Die aktive

    Lagerung soll aus Aktoren, Sensoren und einem Regelungssystem bestehen sowie im Flugeinsatz

    des Quadrocopters getestet werden. Zum methodischen Aufbau des adaptronischen Systems sollen

    die Ergebnisse des Projektes OpenAdaptronik aufgegriffen werden.

    Die Arbeit umfasst folgende Teilaufgaben:

    Aufbau und Erprobung eines Quadrocopters

    Experimentelle Analyse des Schwingungsverhaltens

    Auslegung einer adaptronischen Manahme zur Schwingungsminderung einer Kamera

    Aufbau und Erprobung des adaptronischen Systems und Bewertung der Ergebnisse

    Herr David Wilczynski wird durch das Fachgebiet Systemzuverlssigkeit, Adaptronik und Maschi-

    nenakustik (SAM) in Kooperation mit dem FraunhoferInstitut fr Betriebsfestigkeit und Systemzu-

    verlssigkeit LBF betreut. Die notwendigen Arbeitsmittel werden zur Verfgung gestellt. Die Arbei-

    ten sind vollstndig zu dokumentieren und sollen einen Zeitraum von ca. 6 Monaten nicht ber-

    schreiten.

  • IV

    Kurzfassung

    Drohnen mit einer installierten Kamera werden zunehmend fr Aufnahmen von verschiedenen

    Motiven genutzt. Whrend des Fluges mit einer Drohne sind Schwingungen an der Kamera vor-

    handen, die einen negativen Einfluss auf die Aufnahmen haben. Aus diesem Grund ist das Ziel die-

    ser Arbeit die Schwingungen eines optischen Systems auf einer Drohne mittels eines aktiven Sys-

    tems zu verringern. Die Arbeit entstand im Rahmen von dem Projekt OpenAdaptronik. Dieses Pro-

    jekt soll jeder interessierten Person die Mglichkeit erffnen, das aktive System kostengnstig zu

    entwickeln und auf andere Drohnen zu implementieren oder sogar weiter zu entwickeln. Damit das

    aktive Dmpfungssystem effektiv entwickelt werden kann, werden an einem beispielhaften

    Quadrocopter die Schwingungen unter realen Flugbedingungen analysiert. Zustzlich wird eine

    Strukturanalyse der Aufhngung der Kamera (Gimbal) durchgefhrt. Die Auswirkung der Schwin-

    gungen auf eine Bildaufnahme der angebrachten Kamera wird analytisch abgeschtzt. Des Weite-

    ren werden auf einem Prfstand die einzelnen Komponenten identifiziert und validiert. Mit dem

    validierten Simulationsmodell werden verschiedene Aktorkonzepte untersucht. Auf Basis der Er-

    gebnisse wird ein elektrodynamischer Aktor ausgelegt und in die Aufhngung der Kamera (Gimbal)

    integriert. Nach Konzeption des Aktors wird die Wirkung des aktiven Systems auf einem Prfstand

    untersucht. Abschlieend wird das aktive Dmpfungssystem im Flug des Quadrocopters erprobt

    und bewertet.

    Abstract

    Drones equipped with a camera are usually used to record different motives. While flying a drone

    there are vibrations which have a negative influence to the recording. The goal of this work is to

    reduce the vibrations of the optical system applied to an quadrocopter with an active system. The

    research and development are part of an OpenAdaptronic project. This means that every interested

    person has the possibility to rebuild and to improve the developed active vibration reduction sys-

    tem or to implement it into another system. To develop the active vibration reduction system, an

    analysis of vibrations was done during the flights. Additionally, a structure analysis of a Gimbal

    system has been made. To estimate the influence of vibrations to the quality of a photo camera, a

    theoretical calculation of the picture error has been made. Further, a test bench was used to identi-

    fy the components of the active vibration reduction system. After the validation of the components,

    different concepts of the vibration reduction system have been tested and evaluated. The results of

    all the previous analyses have been used to design an actuator which was integrated in the gimbal

    system on the quadrocopter. After the development of the actuator, the actuator was tested on a

    test bench. The result showed that the active vibration reduction system was functional. Finally, the

    active vibration reduction system was tested in flight under real disturbances and evaluated.

  • V

    Inhaltsverzeichnis

    Erklrung zur vorliegenden Arbeit gem 22/7 und 23/7 APB der TU Darmstadt II

    Aufgabenstellung III

    Kurzfassung IV

    Inhaltsverzeichnis V

    Einleitung 1

    1.1 Motivation und Ziele der Arbeit............................................................................................ 2

    1.2 Vorgehen bei der Entwicklung des aktiven Systems .............................................................. 3

    Stand der Technik und der Forschung 5

    2.1 Anwendungsbereiche des Quadrocopters ............................................................................. 5

    2.2 Grundlagen .......................................................................................................................... 6

    2.2.1 Prinzip der aktiven Schwingungsminderung ...................................................................... 6

    2.2.2 Bildqualitt einer Kamera ................................................................................................ 10

    2.2.3 Rolling Shutter Effekt ...................................................................................................... 16

    2.3 Grundlagen des Quadrocopters .......................................................................................... 18

    2.3.1 Anforderungen an den Quadrocopter .............................................................................. 18

    2.3.2 Komponenten des Quadrocopters .................................................................................... 19

    2.4 Grundlagen der Schwingungsminderung eines optischen Systems ...................................... 25

    2.4.1 Angewandte passive Lsungen zur Schwingungsminderung an einer Drohne .................. 25

    2.4.2 Angewandte aktive Lsungen zur Schwingungsminderung an einer Drohne .................... 26

    Experimentelle und numerische Schwingungsanalyse 27

    3.1 Koordinatensystem des Quadrocopters ............................................................................... 27

    3.2 Strukturanalyse des Gimbals .............................................................................................. 29

    3.2.1 Aufbau und Funktionsweise des Gimbals ......................................................................... 29

    3.2.2 Analyse am Prfstand ...................................................................................................... 30

    3.2.3 Analyse der Drehbewegung des Gimbals am Prfstand .................................................... 36

    3.2.4 Analyse der Drehbewegung im Flug ........................