Design, simulation and manufacturing of DR-One, a formation flight-dedicated unmanned aerial vehicle

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are in the spotlight of flight activity and technological improvements nowadays. This runs parallel to constant progress in sensors and embedded systems, allowing a variety of avionic systems, e.g. sophisticated Automatic Flight Control Systems, to be applied to smaller and smaller machines, like many UAVs. The present dissertation is about the inception of the experimental project STUFF (System Technology for UAV Formation Flight) of the Department of Aerospace Science and Technology, Politecnico di Milano. Its aim is to investigate the possibility of automatic formation flight for a fleet of fixed-wing UAVs. The work consisted in designing and shaping a vehicle - named DR-One - paying attention to three main requirements: good stability properties, opportunity to integrate on-board all the required instrumentation and ease of manufacturing. The configuration design was carried out through an aerodynamic analysis software until the desired performance was obtained. The aircraft was also provided with a classical Stability Augmentation System. The following step was the development of an automatic control strategy dedicated to perform formation flight in the simple Leader-Wingman configuration, and the choice fell on optimum control: the leader receives inputs from the Pilot On Ground and the wingman's task is to follow its trajectory, measuring only the relative distance. All modeling and simulation activity has been developed and performed within Matlab-Simulink environment, yielding the successful simulation of automatic formation flight by means of the developed control laws. Finally, the first prototype of DR-One was fabricated, weighted and correctly balanced with the necessary on-board instrumentation. Pushed by enthusiasm, a maiden flight attempt was anticipated prior the planned wind tunnel test campaign and ended with catastrophic results, but the authors are confident that, attaining to the planned testing activities, the future developers of DR-One will enjoy successful missions.

Negli ultimi tempi, gli Aeromobili a Pilotaggio Remoto (APR) sono al centro dell’attenzione per attività di volo e sviluppo tecnologico. Ciò avviene parallelamente ad un costante progresso nel campo della sensoristica e dei circuiti integrati, che permette di applicare una varietà di sistemi avionici, come ad esempio sofisticati sistemi di controllo automatico, a macchine sempre più piccole, tra cui molti APR. La presente tesi tratta l’inizio del progetto sperimentale STUFF (System Technology for UAV Formation Flight) del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali, Politecnico di Milano. Lo scopo è quello di indagare sulla possibilità del volo in formazione automatico per una flotta di APR ad ala fissa. Il lavoro è consistito nel progettare e realizzare un veicolo - chiamato DR-One - prestando attenzione a tre requisiti principali: buone caratteristiche di stabilità, possibilità di integrare a bordo tutta la strumentazione necessaria e facilità di costruzione. Il progetto della configurazione è stato eseguito mediante un software di analisi aerodinamica, fino ad ottenere le prestazioni desiderate. Il velivolo è stato inoltre corredato di un classico sistema automatico di aumento della stabilità. Il passo successivo è stato lo sviluppo di una strategia di controllo automatico, destinata ad effettuare il volo in formazione nella semplice configurazione Leader-Gregario e la scelta è ricaduta sul controllo ottimo: il leader riceve in input i comandi del pilota a terra, mentre il compito del gregario è di seguirne la traiettoria, misurando solamente la posizione relativa. L’intera fase di modellazione e simulazione è stata codificata ed effettuata in ambiente Matlab-Simulink, giungendo positivamente ad una simulazione del volo in formazione automatico attraverso le leggi di controllo elaborate. Infine, il primo prototipo di DR-One è stato costruito, pesato e bilanciato correttamente con la strumentazione di bordo necessaria. Spinti dall’entusiasmo, un tentativo di volo inaugurale è stato anticipato rispetto alla campagna programmata di prove in galleria del vento e si è concluso con esito catastrofico, ma gli autori confidano nel fatto che, attenendosi alla pianificata attività di sperimentazione, i futuri sviluppatori di DR-One potranno condurre missioni con risultati ottimi.