Model identification of a brushless DC motor and propeller for multicopter applications

The developments and research regarding unmanned aerial vehicles have increased a lot in recent years, contemplating several applications in many fields. Before real flight tests can take place, it is important to perform validations by means of numerical simulations, which can reduce risks and increase reliability. The propulsion configuration of a multicopter highly influences the navigation and stability control designs, therefore having a reliable model for the rotors system is very important. However, usually simple static models are used, which may neglect important dynamics. This master's thesis project presents the procedures in order to perform an experimental characterization of a general multicopter rotor system. We start by presenting the steps followed in order to design a prototype to measure the rotational speed, thrust force and reaction torque of a rotor system composed of a Brushless DC motor commanded by an Electronic Speed Controller (ESC) and a propeller. Then, we provide a methodology to evaluate the obtained experiments data and derive a model for the rotor system, which accounts for both static nonlinear conversions and a linear time invariant system. The obtained model can be integrated into the propulsion system of any multicopter. In the second part of this work, two test applications which account for the rotor's derived model are considered, the first being an octocopter and the second being a tethered octocopter which is connected to a ground station, where the tether length can be adjusted by a controlled winch located at the ground station. The mathematical model for both cases are presented, where in the latter the dynamics of the tether in a three-dimensional space and subject to wind are also presented, followed by the control approaches and tests performed via numerical simulations in both scenarios.

Gli sviluppi e le ricerche sui veicoli aerei senza pilota sono aumentati molto negli ultimi anni, contemplando diverse applicazioni in molti campi. Prima che possano aver luogo le prove di volo reali, è importante eseguire le validazioni mediante simulazioni numeriche, che possono ridurre i rischi e aumentare l'affidabilità. La configurazione di propulsione di un multicottero influenza fortemente i progetti di controllo della navigazione e della stabilità, quindi avere un modello affidabile per il sistema dei rotori è molto importante. Tuttavia, di solito vengono utilizzati modelli statici semplici, che possono trascurare dinamiche importanti. Questa tesi presenta le procedure per eseguire una caratterizzazione sperimentale di un sistema generale di rotori da un multicottero. Iniziamo presentando i passaggi seguiti per progettare un prototipo che consenta la misura della velocità di rotazione, forza di spinta e coppia di reazione di un sistema rotore composto da un motore Brushless DC comandato da un Electronic Speed Controller (ESC) e da un'elica. Quindi, forniamo una metodologia per valutare i dati degli esperimenti ottenuti e derivare un modello per il sistema del rotore, che tiene conto sia delle conversioni statiche non lineari che di un sistema lineare tempo invariante. Il modello ottenuto può essere integrato nel sistema di propulsione di qualsiasi multirotore. Nella seconda parte di questo lavoro, vengono considerate due applicazioni di prova che tengono conto del modello derivato dal rotore, la prima è un ottocottero e la seconda è un ottocottero legato per un cavo a una stazione di terra, dove la lunghezza del cavo può essere regolata tramite un verricello controllato situato nella stazione di terra. Viene presentato il modello matematico per entrambi i casi, dove in quest'ultimo viene presentata anche la dinamica del cavo in uno spazio tridimensionale e sottoposto al vento, seguito dagli approcci di controllo e dai test effettuati tramite simulazioni numeriche in entrambi gli scenari.