Estimation of Angle of Attack and Sideslip Angle applied in an Airborne Wind Energy System

Abstract

Hovedbidraget i denne oppgaven er implementasjon og anvendelse av en metode for estimering av angrepsvinkler for ubemannede luftfartøy - anvendt på teknologi for utnyttelse av høydevindkraft. Den implementerte metoden er beskrevet i \citep {Johansen2015}, som i denne oppgaven først ble brukt på data generert med simulator, deretter på flytestdata fra Kitemill. En tuningsalgoritme for Kalman-filterparametrene ble deretter utarbeidet i det simulerte miljøet, og estimatoren med tuningmetoden ble deretter tilpasset og anvendt på flytestdata fra en av Kitemills prototyper. Kitemills propriatære navigasjonssystem gav grunnleggende målinger av posisjon, hastighet og orientering, mens en enkel EagleTree pitot-statisk probe gav en endimensjonal relativ fartsmåling til algoritmen. Et Aeroprobe Micro Air-data system ble montert på flyet for å gi en ``fasit" for angrepsvinklene til sammenligning, noe som gjorde det mulig å validere flytest-estimeringen uavhengig av simuleringene. Et mindre, sekundært bidrag er et forslag til en forbedret estimator for fremtidig bruk, ved hjelp av kraftmålinger av linedraget i vektorform, men dette ble ikke testet på grunn av at disse målingene ikke var tilgjengelige.

The main contribution of this thesis is the implementation and analysis of a method for estimation of angle of attack (AOA) and sideslip angle (SSA) for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) - applied to the emerging AWES technology. The method was first applied to data generated with a untethered-UAV simulator, then to flight-test data from Kitemil. A tuning algorithm for the Kalman filter parameters was then developed within the simulated environment and the estimator with the tuning scheme was then adapted and applied to flight-test data from one of Kitemill's prototypes. Kitemill's propriatary navigation system provided the basic measurements of position, velocity and attitude relative ground (PVA) while a simple EagleTree pitot-static tube provided a one-dimensional relative measurement input to the algorithm. An Aeroprobe Micro Air Data System was mounted on the UAV to provide ground-truth values of AOA and SSA for comparison, which made it possible to validate the flight-test estimation independent of the simulations. A small, secondary contribution is a suggestion for an improved estimator using tether-measurements in vector form, however, this was not tested due to these measurements not being available.