Sensor fusion and state estimation of a magnus-effect-based airborne wind energy system

The subject of this thesis is Airborne Wind Energy (AWE) Systems consisting of aerodynamic or aerostatic lift devices which harness wind energy to generate electric power. Compared to conventional wind turbines, they can capture wind energy at higher altitudes, and their installation and production costs are lower. This work focuses on the Magnus Airborne Generator 15 (MAG15) AWE system, developed by the start-up Wind Fisher. MAG15 is a Magnus effect-based AWE system: it is equipped with a spinning cylinder that flies by means of the lift force generated by the Magnus effect. The thesis investigates sensor fusion techniques that, using available measurements, provide reliable estimates of the MAG15’s position, velocity, and aerodynamic forces. Indeed, control strategies optimize the production of electrical power, exploiting an accurate knowledge of position, velocity and aerodynamic forces of the AWE system. To achieve this goal, the structure of MAG15 is described, and a simplified point-mass model is derived. Then, the different sensors installed on the AWE system are presented, and the reliability of their measurements is analyzed. At the end, an Extended Kalman Filter based on the selected measurements and on the simplified point-mass model is developed in order to estimate the states. Moreover, different configurations to improve the estimate of aerodynamic forces are experimented. The effectiveness of the described sensor fusion method is tested in simulation, and results demonstrate its capability to provide accurate and consistent state and forces estimates.

Sono oggetto di questa tesi i sistemi Airborne Wind Energy (AWE), costituiti da dispositivi di sollevamento aerodinamici o aerostatici che sfruttano l’energia eolica per generare potenza elettrica. Rispetto alle turbine eoliche convenzionali, questi sistemi sono in grado di catturare l’energia eolica ad altitudini più elevate e hanno costi di installazione e produzione inferiori. Questo lavoro si concentra sul sistema AWE Magnus Airborne Generator 15 (MAG15), sviluppato dalla start-up Wind Fisher. MAG15 è un sistema AWE basato sull’effetto Magnus: è dotato di un cilindro rotante che vola grazie alla forza di portanza generata dall’effetto Magnus. La tesi studia le tecniche di fusione dei sensori che, utilizzando le misure disponibili, forniscono stime affidabili della posizione, della velocità e delle forze aerodinamiche agenti sul MAG15. Infatti, molte strategie di controllo, per ottimizzare la produzione di energia elettrica, sfruttano una conoscenza accurata della posizione, della velocità e delle forze aerodinamiche del sistema AWE. Per raggiungere questo obiettivo, viene descritta la struttura del MAG15 e un modello semplificato punto massa è ricavato. Successivamente, vengono presentati i diversi sensori installati sul sistema AWE ed è analizzata l’affidabilità delle loro misure. Infine, è sviluppato un filtro di Kalman esteso basato sulle misure selezionate e sul modello punto massa al fine di stimare gli stati. Inoltre, vengono sperimentate diverse configurazioni per migliorare la stima delle forze aerodinamiche. L’efficacia del metodo di fusione dei sensori descritto è stata testata in simulazione e i risultati dimostrano la sua capacità di fornire stime accurate e coerenti dello stato e delle forze.