Design, modelling and optimisation of a small tail-sitter VTOL UAV

Nowadays, UAV market represents one of the most impacting industries on the global economy, characterised by a prevision to generate more than $91 billions of profits in the next few years. For this reason, new UAV technologies are requested to satisfy the increasing demand in both military and civil fields, performing multi-task missions efficiently. A promising flexible and efficient UAV configuration is represented by the so called Tail-Sitter layout, characterised by machines showing advantages of both conventional aircraft and rotorcraft, capable to take-off and land vertically ‘sit’ on their own tail, tilting horizontally for forward flight, therefore improving the effectiveness and the multi-objective nature of the performed missions. However, transitioning manoeuvres between vertical to horizontal flight or vice-versa, represent a thorny task regarding this UAV’s configuration; thus, the trajectories’ design and the consequent control of the UAV when flying these paths, must be adequately explored. The design, modelling, control and successive trajectory optimisation of a new, small-size, tail-sitter UAV is presented in this thesis. Conceptual and preliminary design is covered in the first part of the dissertation, with the aim to successfully size the final concept of the proposed UAV. A full 6-DOF non-linear mathematical model is developed and further implemented in Matlab/Simulink environment; a complete flight controller is then designed, in order to automatically control the proposed UAV within the whole flight envelope. Particular emphasis is given to the analysis, design and successive optimisation of the trajectories to perform transitioning manoeuvres. All the design requirements are successfully fulfilled by the final concept; innovative results are also achieved concerning the effect of some design parameters, such as thrust-to-weight ratio and wing aspect ratio, on the shape of optimal transitioning trajectories.

Al giorno d’oggi, il mercato degli UAV rappresenta uno dei settori industriali con il maggior impatto sull’economia mondiale, caratterizzato dalla previsione di generare profitti per oltre 91 milioni di dollari nei prossimi anni. Per tale ragione, nuove ed innovative tecnologie nel campo degli UAV dovranno soddisfare la sempre maggior domanda sia in campo militare che civile, ponendosi nella condizione di poter svolgere efficientemente missioni multi-task. Una promettente configurazione ‘flessibile’ ed ‘efficiente’ allo stesso tempo, è rappresentata dal cosiddetto Tail-Sitter layout, ovvero da un UAV caratterizzato dai vantaggi che contraddistinguono sia un elicottero, sia un velivolo ‘convenzionale’, in quanto in grado di decollare ed atterrare verticalmente ‘seduto’ sulla sua stessa coda, modificando poi orizzontalmente l’assetto per il volo livellato. In tal modo, dunque, l’efficienza, l’efficacia e la stessa natura ‘multi-obiettivo’ delle missioni svolte da una tale configurazione di UAV risultano chiaramente migliorate. Ciononostante, le manovre di ‘transizione’ tra le fasi di volo verticali e quelle orizzontali, rappresentano delle operazioni piu` delicate e allo stesso tempo problematiche all’interno del complessivo inviluppo di volo per una tale configurazione. Per questo motivo, il design di tali traiettorie ed il conseguente controllo dell’UAV durante le fasi di transizione, devono entrambi essere adeguatamente studiati ed analizzati prima di intraprendere il progetto di una configurazione ‘tail-sitter’. Il tema principale della presente Tesi `e rappresentato, dunque, dal design completo, dalla modellazione, dal controllo e dalla successiva ottimizzazione delle traiettorie di volo di un innovativo UAV di piccole dimensioni caratterizzato da una configurazione ‘tail-sitter’. La prima parte del lavoro di Tesi riguarda, in particolare, il ‘conceptual’ ed il ‘preliminary’ design del nuovo UAV, con l’obiettivo di dimensionare efficientemente il concept finale dell’UAV proposto. Successivamente, un modello completo a 6 gradi di libertà verrà sviluppato ed implementato in ambiente Matlab/Simulink, così come un intero flight controller sarà progettato con lo scopo di controllare autonomamente l’UAV in tutte le fasi contemplate dall’inviluppo di volo. Attenzione particolare verrà inoltre rivolta all’analisi, al design ed alla successiva ottimizzazione delle traiettorie caratterizzanti le manovre di ‘transizione’. Tutti i requisiti di progettazione stabiliti durante la fase preliminare del presente lavoro di Tesi sono stati soddisfatti con successo dal concept finale. In particolare, risultati innovativi riguardanti l’effetto di alcuni parametri di progetto, quali thrust-to-weight ratio e wing aspect ratio, sulla forma delle ‘transitioning trajectories’ ottimizzate, sono stati ottenuti alla fine dell’intera fase di design ed ottimizzazione.