Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Auslegung und Regelung einer vollaktuierten Drohne, die als fliegende Arbeitsplattform für einen Manipulator dienen soll. Dabei werden ausgehend von der geometrischen Beschreibung einer allgemeinen, symmetrischen Drohne mit sechs Rotoren Methoden entwickelt, die den anforderungsbezogenen Entwurf der Geometrie einer vollaktuierten Drohne ermöglichen. Darüber hinaus werden prinzipielle Einflussmechanismen einzelner Geometrieparameter auf die durch die Drohne erzeugbaren Kräfte und Momente aufgezeigt. Zur Charakterisierung des Raums aller erzeugbaren Lasten wird dieser auf sogenannte Stützvektoren reduziert. Als Stützvektoren dienen dabei die für den Schwebeflug nötige Schubkraft, die garantierte Mindestkraft in horizontaler Richtung und das garantierte Mindestmoment um eine beliebige Achse, zu deren Berechnung zusätzlich analytische Formeln hergeleitet werden. Aufbauend auf die Beschreibung durch Stützvektoren wird die Formuliernung von Metriken vorgestellt, die die Bewertung einer Drohnengeometrie durch eine einzige skalare Maßzahl ermöglichen, wodurch die je nach Anwendung optimale Drohnengeometrie ermittelt werden kann. Zur Regelung des Systems aus Drohne und Manipulator wurde ein Regelungskonzept entwickelt, welches durch eine Entkopplung der Bewegungsgleichungen eine virtuelle Verschiebung des Schwerpunkts in das Drohnenzentrum realisiert und so eine präzise Regelung unabhängig von der tatsächlichen Schwerpunktlage ermöglicht. / This thesis’ subject is the geometrical design and control of a fully actuated drone, intended to be used as a flying operating-platform for a manipulator. Starting with the general geometrical description of a symmetric drone with six rotors, methods for the application specific design of a fully actuated drone are developed. Furthermore general influencing principles of geometric parameters on the forces and torques that can be generated by the drone, are pointed out. To characterize the drone's wrench-space, it is reduced to so called support vectors, which are given by the hovering thrust, the minimum guaranteed force in a horizontal direction and the minimum guaranteed torque in any direction. Additionally, analytic formulas are derived for the mentioned support vectors. Based on the description by the support vectors, a formulation of metrics is introduced, to enable the assessment of a specific drone geometry by a single scalar measure, to determine the ideal drone geometry for a specific application. Targeting the issue of controlling the flight system, consisting of the drone and the manipulator, a concept is developed that realizes a virtual dissplacement of the center of mass by decoupling the equations of motion and therby facilitates a precise control, independent of the actual location of the system's center of mass.

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Auslegung und Regelung einer vollaktuierten Drohne, die als fliegende Arbeitsplattform für einen Manipulator dienen soll. Dabei werden ausgehend von der geometrischen Beschreibung einer allgemeinen, symmetrischen Drohne mit sechs Rotoren Methoden entwickelt, die den anforderungsbezogenen Entwurf der Geometrie einer vollaktuierten Drohne ermöglichen. Darüber hinaus werden prinzipielle Einflussmechanismen einzelner Geometrieparameter auf die durch die Drohne erzeugbaren Kräfte und Momente aufgezeigt. Zur Charakterisierung des Raums aller erzeugbaren Lasten wird dieser auf sogenannte Stützvektoren reduziert. Als Stützvektoren dienen dabei die für den Schwebeflug nötige Schubkraft, die garantierte Mindestkraft in horizontaler Richtung und das garantierte Mindestmoment um eine beliebige Achse, zu deren Berechnung zusätzlich analytische Formeln hergeleitet werden. Aufbauend auf die Beschreibung durch Stützvektoren wird die Formuliernung von Metriken vorgestellt, die die Bewertung einer Drohnengeometrie durch eine einzige skalare Maßzahl ermöglichen, wodurch die je nach Anwendung optimale Drohnengeometrie ermittelt werden kann. Zur Regelung des Systems aus Drohne und Manipulator wurde ein Regelungskonzept entwickelt, welches durch eine Entkopplung der Bewegungsgleichungen eine virtuelle Verschiebung des Schwerpunkts in das Drohnenzentrum realisiert und so eine präzise Regelung unabhängig von der tatsächlichen Schwerpunktlage ermöglicht. / This thesis’ subject is the geometrical design and control of a fully actuated drone, intended to be used as a flying operating-platform for a manipulator. Starting with the general geometrical description of a symmetric drone with six rotors, methods for the application specific design of a fully actuated drone are developed. Furthermore general influencing principles of geometric parameters on the forces and torques that can be generated by the drone, are pointed out. To characterize the drone's wrench-space, it is reduced to so called support vectors, which are given by the hovering thrust, the minimum guaranteed force in a horizontal direction and the minimum guaranteed torque in any direction. Additionally, analytic formulas are derived for the mentioned support vectors. Based on the description by the support vectors, a formulation of metrics is introduced, to enable the assessment of a specific drone geometry by a single scalar measure, to determine the ideal drone geometry for a specific application. Targeting the issue of controlling the flight system, consisting of the drone and the manipulator, a concept is developed that realizes a virtual dissplacement of the center of mass by decoupling the equations of motion and therby facilitates a precise control, independent of the actual location of the system's center of mass.