Structural modelling and notch filtering for a fixed-tilted multirotor UAV

Structural dynamics are usually neglected in the design of multirotor UAVs, given that for small platforms they play a negligible role. When considering not-so-small drones, on the other hand, structural issues have to be accounted for at design time. In view of this, this thesis focuses on the structural dynamics of Aries, a UAV developed by ANT-X in collaboration with the Politecnico di Milano. First, a finite element model was created from the Computer-Aided Design (CAD) model, simplifying the mechanism and attempting to integrate the process into the design phase of the UAV itself. Ground vibration tests were performed to validate the finite element model and the modal analysis results. The correlation between numerical and experimental data, as well as the subsequent updating of the numerical model, revealed that the created model accurately reproduced the modal shapes and frequencies. The UAV's modal analysis was then extended to include the payload, a cantilevered object with a mass comparable to that of the UAV, from which two new low-frequency modal shapes emerged. This sparked the idea of developing a preliminary adaptive notch filter for on-board sensors, capable of attenuating a given time-varying frequency within the signal as a result of a resonance phenomenon. Given the breadth of the topics covered and the ideas that emerged from them, this thesis is proposed as a foundation for future research and in-depth studies on the effect of structural dynamics on UAV control.

Le dinamiche strutturali sono solitamente trascurate nella progettazione di un UAV multirotore, dato che per i droni di piccole dimensioni svolgono un ruolo trascurabile. Quando si considerano droni non così piccoli, invece, i problemi strutturali devono essere presi in considerazione al momento della progettazione. Alla luce di ciò, in questa tesi si è deciso di concentrarsi sulla dinamica strutturale di Aries, un drone sviluppato da ANT-X in collaborazione con il Politecnico di Milano. In primis è stato creato un modello a elementi finiti, a partire dal modello Computer-Aided Design (CAD), semplificandone il meccanismo e cercando di integrare il processo nella fase di design del drone stesso. Per corroborare il modello a elementi finiti e i risultati dell'analisi modale si sono eseguiti dei test di vibrazioni a terra. La correlazione tra i dati numerici e sperimentali e il successivo aggiornamento del modello numerico hanno messo in evidenza come le forme modali e le frequenze fossero ben riprodotte dal modello creato. Si è proseguito poi nell'analisi modale del drone con il payload, un oggetto a sbalzo avente una massa comparabile a quella del drone stesso, da cui sono emerse due nuove forme modali a bassa frequenza. Da qui è nata l'idea di progettare a livello preliminare un nuovo filtro notch adattativo, applicabile ai sensori di bordo, capace di attenuare all'interno del segnale una data frequenza variabile nel tempo, conseguenza di un fenomeno di risonanza. Consapevole della vastità degli argomenti trattati e degli spunti da essi nati, questa tesi si propone come premessa ad eventuali studi e approfondimenti successivi sull'effetto della dinamica strutturale nel controllo di un drone.