System of tethered multicopters : modeling and optimization of the electric subsystem Without power converters

This paper presents a modelling and optimization process for the electric subsystem of a System of Tethered Multicopters (STEM). It is known that one of the greatest problems to use multicopters in civil applications requiring long flight time is the limited energy that the battery can store, particularly with a large payload. Single multicopters connected to the ground by an electric tether have been proposed already. These feature a long (virtually unlimited) flight-time, at the cost of low agility due to the tether itself. Thus, one proposal is to connect a network of drones all powered by a single source in the ground. The use of networks of tethered drones would give both long flight-time, and high agility of the drone formation to carry out the prescribed task. The purpose of this work is to evaluate the theoretical viability of this system, focusing on the electric subsystem, and to propose solutions for its operation. Models with different degrees of complexity (from static to dynamic) have been derived based on the known laws of physics, both mechanical and electrical, that are relevant for the system. In order to confirm the quality of the static model, simulations of the dynamic model have been used. Then, based on known components and their models, an optimization process has been realized, where the static model is used to optimize the specification of the electric system, looking for the minimum point of energy expenditure with the system in steady-state. With the functional model and optimization, it is concluded that a STEM system is feasible with adaptations to reduce energy consumption. Some of these changes are proposed in this work, while other are left future research.

Questo documento presenta un processo di modellizzazione e ottimizzazione per il subsistema elettrico di un sistema di multicopters legati (STEM). È noto che uno dei maggiori problemi nell'utilizzo di multicopters in applicazioni civili che richiedono lunghi tempi di volo è l'energia limitata che la batteria può immagazzinare, in particolare con un grande carico utile. Sono già stati proposti single multicopters collegati a terra da un cavo elettrico. Questi sono caratterizzati da un tempo di volo lungo (praticamente illimitato), a scapito della bassa agilità dovuta allo cavo stesso. Quindi, una proposta è quella di connettere una rete di droni alimentati da un'unica fonte nel terreno. L'uso di reti di droni cablati darebbe sia un lungo tempo di volo, sia un'alta agilità della formazione dei droni per svolgere il compito prescritto. Lo scopo di questo lavoro è valutare la fattibilità teorica di questo sistema, concentrandosi sul sottosistema elettrico e proporre soluzioni per il suo funzionamento. Modelli con diversi gradi di complessità (da statico a dinamico) sono stati derivati sulla base delle leggi conosciute della fisica, sia meccanica che elettrica, che sono rilevanti per il sistema. Per confermare la qualità del modello statico, sono state utilizzate simulazioni del modello dinamico. Quindi, sulla base dei componenti noti e dei loro modelli, è stato realizzato un processo di ottimizzazione, in cui il modello statico viene utilizzato per ottimizzare le specifiche del sistema elettrico, cercando il punto minimo di spesa energetica con il sistema in stato stazionario. Con il modello funzionale e l'ottimizzazione, si conclude che un sistema STEM è fattibile con adattamenti per ridurre il consumo di energia. Alcuni di questi cambiamenti sono proposti in questo lavoro, mentre altri sono lasciati alla ricerca futura.