Methodical investigation of the dynamic behaviour of tethered membrane wings based on automated flight manoeuvres

Flugwindkraftanlagen bieten großes Potential, um zur Deckung des Energiebedarfs der Menschheit aus erneuerbaren Energien beizutragen. Eine vielversprechende Konzeptvariante für solche Anlagen sieht die Nutzung hochflexibler, seilgebundener Tragflächen vor. Für den sicheren autonomen Betrieb ist deshalb die Entwicklung robuster Regelalgorithmen für die Flugkontrolle solcher Tragflächen erforderlich. Dies wiederum erfordert ein tiefgehendes Verständnis und die realitätsnahe Simulation des Verhaltens dieser Tragflächen in dynamischen Flugmanövern. Es existieren bereits zahlreiche Simulationsmodelle, die dies ermöglichen sollen, jedoch kaum Daten aus Messungen unter kontrollierten Bedingungen, die für die Verifikation dieser Modelle benötigt werden. Neben der Veränderung der dynamischen Parameter in Abhängigkeit vom Längenverhältnis zwischen den Power- und Steuerleinen, ist insbesondere die Auswirkung der Verformung auf das dynamische Verhalten bisher kaum anhand von experimentellen Untersuchungen erforscht. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst analysiert, welche Manöver sich für die Vermessung des dynamischen Verhaltens eignen und welche Messdaten dafür aufgezeichnet werden müssen. Darauf basierend erfolgt die Entwicklung und Erprobung eines Onboard-Sensorsystems und eines Sensorfusionsalgorithmus zur Messung der Position und Lage eines Kiteschirms sowie einer kostengünstigen Mehrloch-Prandtl-Sonde zur Messung des Anströmgeschwindigkeitsvektors. Außerdem wird ein geeigneter Regelalgorithmus aus der Literatur implementiert und erweitert, der die Umsetzung automatisierter und somit wiederholbarer Achtenflug-Manöver ermöglicht. In Kombination mit der Möglichkeit, die Anströmgeschwindigkeit frei zu variieren und unter kontrollierten Bedingungen zu messen, erlauben diese Entwicklungen eine objektive Messung der Drehfreudigkeit sowie der Totzeit von Kiteschirmen in Abhängigkeit vom Längenverhältnis zwischen den Power- und Steuerleinen. Die Messergebnisse können das aus subjektiven Erfahrungen aus dem Kitesport erwartete dynamische Verhalten bestätigen. Darüber hinaus werden Messungen durchgeführt, in denen mit Hilfe von fünf kompakten Inertialsensoren die Lageänderungen verschiedener Komponenten des Kiteschirms während der Einleitung einer Gierbewegung gemessen werden. Dies ermöglicht die Visualisierung der dabei auftretenden makroskopischen Verformung des Kiteschirms und darauf basierend die Bestimmung des Effekts, der die hauptsächliche Ursache für die Einleitung der Gierbewegung darstellt. Die vorliegende Arbeit kann somit einen entscheidenden Beitrag zur Grundlagenforschung an hochflexiblen, seilgebundenen Tragflächen leisten und ermöglicht die Steigerung der Realitätsnähe von Simulationsmodellen solcher Tragflächen.Airborne wind energy systems offer great potential to contribute to meeting the energy needs of mankind from renewable energy sources. One promising concept for such systems is based on the use of highly flexible, tethered wings. For a safe autonomous operation, the development of robust control algorithms for the flight control of such wings is necessary. This in turn requires a profound understanding and realistic simulation of the behaviour of these wings in dynamic flight manoeuvres. There are already numerous simulation models aiming to make this possible, but hardly any data from measurements under controlled conditions in order to verify these models. Aside from the change of the dynamic parameters depending on the length ratio between the power and control lines, the effect of the wing’s deformation on the dynamic behaviour has hardly been investigated by experimental studies so far. At the beginning of this thesis, an analysis is conducted on which manoeuvres are suitable for the measurement of the dynamic behaviour and which measurement data has to be recorded therefore. Based on this, an on-board sensor system and a sensor fusion algorithm for measuring the position and orientation of a kite as well as a low-cost multi-hole-probe for measuring the inflow velocity vector are developed and tested. In addition, a suitable control algorithm from the literature was implemented and extended, which allows the implementation of automated and therefore repeatable figure-of-eight manoeuvres. In combination with the possibility to freely vary the inflow velocity and to measure under controlled conditions, these developments allow an objective measurement of the turning speed as well as the delay time of kite wings depending on the length ratio between power and steering lines. The measurement results can confirm the dynamic behaviour expected from subjective experiences in kite sports Furthermore, measurements are performed in which the position changes of various components of the kite during the initiation of a yaw motion are measured with the help of five compact inertial sensors. This allows the visualization of the macroscopic deformation of the kite and the determination of the main effect causing the yaw motion. Thus, the present work can make a decisive contribution to basic research on highly flexible, tethered wings and allows the development of more realistic simulation models of such wings