Autonomous autorotation of a UAS helicopter : modeling and flight test campaign

Autonomous systems, sustainability and Internet of Things (IoT) are some of today’s challenges in engineering. Also in the aeronautical field, these topics are getting more and more important and are subjected to increasing developments. The growing interest in Unmanned Aircraft Systems (UASs) and related researches around them are actually part of the framework described above. Drones, and in particular the fully autonomous ones, are a remarkable control problem and a great effort in systems integration. This thesis work was carried out at UMS Skeldar, a company designing and developing autonomous rotary wing UASs. Main topic of the work is autorotation in UASs. After a brief introduction to the autorotation problem, UMS Skeldar helicopters main types are described. These are the V-150 and the V-200. The Align T-REX is introduced too. It is a small-scale electric rotorcraft that was deployed in flight tests. Then, a preliminary performance analysis in autorotation of these three helicopters is carried out. The Company’s T-REX is a modified version. It is equipped with same sensors and automatic Flight Control System (FCS) as the V-150 UAS. The onboard control system is based on a state-space dynamic model. This model has been reviewed and adapted in order to handle the autorotation condition. Next step was setting up and performing a flight test campaign. Aim of these tests is acquisition of suitable data sets to identify the model previously described. The grey-box model identification was carried out with Matlab. Once identified the model, it has been implemented in the flight simulation software. In this way, it was checked the model correct behaving and, moreover, a preliminary control system has been implemented. This system shall handle the descent in trimmed autorotation state, stabilizing and governing it. The final part of this work illustrates future developments. Some of them are imminent, such as new and more in-depth flight tests, and some are farther in time.

La guida autonoma, la sostenibilità energetica e l’internet delle cose fanno parte delle sfide odierne dell’ingegneria. Anche l’ingegneria aeronautica, storicamente sempre in bilico tra staticità di soluzioni collaudate (per garantire l’imprescidibile sicurezza) ed innovazione per risolvere problemi sempre diversi, si muove in queste nuove aree di ricerca. La crescita di interesse e di ricerca nel campo degli UASs riguarda proprio uno dei contesti sopra citati. I droni, ed in particolar modo quelli a volo completamente automatico, costituiscono un notevole problema di controllo e di integrazione dei sistemi. L’azienda presso cui il presente lavoro di tesi è stato svolto, la UMS Skeldar, si occupa della progettazione e dello sviluppo di UASs autonomi ad ala rotante. L’argomento centrale del lavoro è l’autorotazione negli UASs. Dopo una breve presentazione del problema dell’autorotazione, si descrivono brevemente i due principali tipi di elicottero prodotti dalla UMS Skeldar, il V-150 ed il V-200, oltre che l’Align T-REX, un elicottero elettrico di piccola taglia che è stato impiegato nei test di volo. Segue un’analisi preliminare delle prestazioni in autorotazione dei tre elicotteri menzionati. Il T-REX in uso presso l’azienda è una versione modificata ed equipaggiata con gli stessi sensori e lo stesso sitema di controllo del V-150. Tale sistema di controllo è basato su un modello dinamico agli stati: si è dovuto rivedere ed espandere il modello per poter essere impiegato in condizioni di autorotazione. Si è poi passati alla fase sperimentale del lavoro, nella quale sono stati definiti ed effettuati i test di volo. Scopo dei test è l’acquisizione di dati appropriati ad identificare il modello precedentemente introdotto tramite identificazione grey-box con Matlab. Ottenuto il modello, questo è stato quindi inserito nel software di simulazione volo per verificarne in via preliminare il corretto comportamento. Nella simulazione si è inoltre implementato un controllore per poter rendere stabile e controllata la discesa in condizioni di autorotazione trimmata. Concludono il lavoro i due capitoli finali, nei quali vengono tracciati i futuri sviluppi, sia imminenti, con nuovi test di volo più ‘spinti’ ed approfonditi, sia di più lontano orizzonte temporale.