Design and dynamic modeling of a VTOL UAV

Nowadays unmanned aerial vehicles (UAVs) are widely studied and manufactured. The first thing everyone associates with the word UAV is the idea of a multi-rotor machine, generally a quad-rotor. This is only one side of the coin: besides multi-rotors there are also fixed-wing UAVs. The two categories of UAVs can be overlapped, obtaining the so-called VTOL UAV: an aircraft capable of vertical take-off and landing (from which the name VTOL) and high energy efficiency horizontal flight, which makes it suitable for medium/long range missions. Given that multi-rotors have been studied in detail and have shown their limitations in terms of flight endurance and, on the other hand, fixed-wing UAVs do not possess vertical take-off and landing capability, VTOL UAVs join the advantages of both configurations and can be the right aircraft for lots of applications, both commercial and military: parcel delivery, aerial mapping, reconnaissance and maintenance, just to mention a few examples. The objective of this thesis is to develop from scratch a VTOL UAV: starting from a basic set of requirements the whole aircraft design is carried out leading to the technical drawings ready for prototyping. The design procedure adopted follows the conventional phases: conceptual, preliminary, detailed and production. The aircraft is developed considering its aerodynamics, the structure and the internal components (very important given the unmanned nature of the aircraft). Last but not least the propulsion system is studied; this is an important element that characterizes a VTOL machine which has to fly both like a conventional aircraft and like a rotorcraft. Starting from a set of linear time invariant (LTI) models, a linear parameter varying (LPV) model is developed using the aircraft speed as scheduling parameter. The LPV model can be used for control and simulation purposes in the full flight envelope of the aircraft. The natural conclusion of the thesis would be the prototyping of the developed design; however, due to the COVID-19 pandemic it has not been possible to conduct this activity in the laboratories of Politecnico di Milano. The final output of the thesis is the complete design of a VTOL UAV with take-off weight less than 5 kgf, a wing span of 2.25 m, a battery of 8500 mAh capacity and a maximum payload of 200 gf; the expected flight time is about 85 minutes following a delivery mission profile made up of vertical take-off, cruise at constant altitude and vertical landing. Moreover, the developed LPV model of the aircraft reproduces well the aircraft behavior with respect to the initial set of LTI models.

Al giorno d'oggi i velivoli a pilotaggio remoto, generalmente chiamati droni, sono largamente studiati e diffusi. La prima cosa che viene associata alla parola drone è l'idea di un velivolo multi rotore, generalmente un quadricottero. Questa è solo una faccia della medaglia: oltre ai droni multi rotore, infatti, esistono anche droni ad ala fissa. Queste due categorie di velivoli a pilotaggio remoto possono essere sovrapposte, dando origine al cosiddetto drone VTOL: un velivolo capace di decollare e atterrare in verticale (in inglese vertical take-off and landing, da cui il nome VTOL) ma anche di un'elevata efficienza energetica nel volo orizzontale, fatto che lo rende adatto a missioni a media/lunga autonomia chilometrica e/o oraria. Dal momento che i multi rotori sono stati a lungo studiati e hanno mostrato la loro limitazione per quanto riguarda il tempo di volo e che, d'altra parte, i velivoli ad ala fissa non sono in grado di decollare ed atterrare in verticale, i droni VTOL uniscono gli aspetti positivi di entrambe le configurazioni e possono rappresentare il velivolo adatto a molte applicazioni, sia civili che militari: consegna di pacchi, rilievo del terreno, ricognizione e manutenzione per nominarne alcune possibili. Scopo di questa tesi è lo sviluppo di un velivolo senza pilota VTOL: l'intero progetto viene sviluppato partendo da un gruppo iniziale di requisiti fino ai disegni tecnici pronti per la fase di costruzione. L'iter progettuale seguito è quello convenzionale: progetto concettuale, preliminare, di dettaglio e di produzione. Il velivolo è sviluppato in tutti i suoi aspetti: aerodinamica, struttura, componenti interni (elementi importanti poiché il velivolo è a pilotaggio remoto) e apparato propulsivo. Questo ultimo aspetto è di grande rilievo poiché una macchina VTOL effettua parte della missione volando come un velivolo ad ala rotante e parte come velivolo ad ala fissa. Un modello lineare a parametri variabili (LPV) è stato sviluppato utilizzando come base dei modelli lineari tempo invarianti (LTI); il parametro variabile scelto per il modello è la velocità di volo. Un modello LPV può essere utilizzato per il controllo e la simulazione del velivolo nell'intero inviluppo di volo. La conclusione naturale di una tesi come questa sarebbe la realizzazione del progetto sviluppato; tuttavia, a causa dell'emergenza sanitaria dovuta al COVID-19, non è stato possibile costruire il velivolo nei laboratori del Politecnico di Milano. Risultato finale della tesi è il progetto completo di un velivolo a pilotaggio remoto con ala fissa e capace di decollo e atterraggio verticali. Tale velivolo ha un peso al decollo di poco inferiore ai 5 kgf, un'apertura alare di 2,25 m, imbarca una batteria di capacità pari a 8500 mAh e può trasportare un carico pagante massimo di 200 gf. Il tempo di volo stimato è pari a 85 minuti, ottenuto seguendo un profilo di missione di trasporto pacchi, composto da un decollo in verticale, una fase di crociera a quota costante e un atterraggio in verticale. Ulteriore risultato è il modello LPV sviluppato, modello che ben riproduce il comportamento del velivolo descritto dal set iniziale di modelli LTI.