Modelling and integration of an eVTOL UAV

The interest in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) has seen a dramatic increase in the past few years, due to their vast use cases and related economic advantages: infrastructure monitoring, aerial mapping, search and rescue, parcel delivery, law enforcement are just some examples. More recently, the potentiality of fixed wing eVTOL (electric Vertical Take Off and Landing) UAVs has emerged: such vehicles combine the ability to hover, take off and land vertically, with a high effciency and long endurance and range typical of classic fixed wing aircraft. The main purpose of this thesis is to actually build an eVTOL UAV completely designed from scratch within the Aerospace Systems and Control Laboratory (ASCL) of Politecnico di Milano in a previous master thesis. Such vehicle is capable of both vertical and forward flight, has a take off mass of around 6 kg, wing span of 2.25 m and an expected flight time of about 100 minutes. This experimental activity proved to be more challenging than it might sound, giving extremely valuable insights and lessons learned in the integration phase of a complex flight vehicle, the first one to be completely designed and produced inside the Department of Aerospace Science and Technology (DAER) long since. Each step of the building and integration phase has been thoroughly described and documented, to be used as reference for future works. Unfortunately, due to the many delays caused by the COVID-19 pandemic, the UAV could not be flight tested. Along this primary objective, numerous other activities were performed on the project. The original aerodynamic model of the aircraft has been improved, including the fuselage, motor booms and motors and different software was used, OpenVSP. A motor test bench with accompanying software has been built from scratch, capable of estimating any arbitrary electric motor and propeller static and dynamic performance parameters quickly and with very little human intervention. A Simulink flight simulator has been built, using aircraft’s data obtained from the aforementioned aerodynamic model and experimental motor identification, together with mass and inertia properties obtained with a precise SolidWorks CAD model and an accurate LiPo battery model. Such simulator is capable of simulating the UAV’s three flight modes: vertical flight, transition and forward flight. The latter flight mode has been validated with linearized models and has been used to provide accurate estimates of the aircraft’s flight dynamics and integral performance.

L’interesse nei confronti degli Aeromobili a Pilotaggio Remoto (APR, o UAV - Unmanned Aerial Vehicles - in inglese) ha visto un drastico aumento negli ultimi anni, grazie ai numerosi casi applicativi e relativi vantaggi economici: monitoraggio di infrastrutture, cartografia aerea, ricerca e soccorso, consegna di pacchi e controllo da parte di forze dell’ordine sono solo alcuni esempi. Più recentemente sono emerse le potenzialità dei velivoli APR eVTOL (dall’inglese electric Vertical Take Off and Landing, ovvero elettrici a decollo ed atterraggio verticale) ad ala fissa: questi velivoli combinano la capacità di hover (ovvero stazionare in volo a punto fisso), decollo ed atterraggio verticale, con un’elevata efficienza e conseguenti lunghe distanze e tempi in volo tipici di velivoli classici ad ala fissa. L’obiettivo principale di questa tesi è la costruzione di un eVTOL UAV, che è stato completamente progettato da zero all’interno del Laboratorio di Sistemi e Controllo Aerospaziale (Aerospace Systems and Control Laboratory, ASCL) del Politecnico di Milano, durante una precedente tesi magistrale. Questo velivolo è in grado di svolgere missioni sia in volo verticale, che in volo avanzato; ha una massa al decollo di circa 6 kg, apertura alare di 2,25 m e un tempo di volo stimato di circa 100 minuti. Questa attività sperimentale si è dimostrata essere più complessa di quanto possa apparentemente sembrare, producendo di fatto interessante esperienza e spunti di conoscenza relativi alla fase di costruzione ed integrazione di un velivolo complesso, il primo ad essere completamente progettato e costruito all’interno del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali (Department of Aerospace Science and Technology, DAER) da molto tempo. Ogni fase dell’integrazione e costruzione è stata meticolosamente descritta e documentata, così che questo lavoro possa essere utile come riferimento per progetti futuri. Sfortunatamente, a causa dei numerosi ritardi dovuti alla pandemia di COVID-19, non è stato possibile provare il velivolo in volo. Insieme a questo obiettivo primario, sono state eseguite numerose altre attività sul progetto. Il modello aerodinamico sviluppato nel lavoro originale è stato migliorato, includendo la fusoliera, i supporti motore e i motori e usando un software differente, OpenVSP. È stato costruito un banco prova motore con relativo software capace di stimare le prestazioni statiche e dinamiche di una qualsiasi combinazione di motore elettrico ed elica velocemente e con minima interazione umana. È stato inoltre creato un simulatore di volo in Simulink, usando i dati del velivolo ottenuti dai già menzionati modello aerodinamico e dati sperimentali dei motori, insieme alle proprietà di massa e inerzia ottenute con un preciso modello CAD in SolidWorks e un accurato modello di una batteria LiPo. Il simulatore è in grado di simulare le tre differenti condizioni di volo del velivolo: hover e decollo e atterraggio verticale (VTOL), transizione e volo avanzato. Quest’ultima modalità di volo del simulatore è stata validata tramite confronto con modelli linearizzati ed è stata usata per fornire stime accurate della dinamica di volo del velivolo e delle sue prestazioni integrali.