Modeling and identification of a distributed electric propulsion demonstrator by automated flight test procedures

This master's thesis focuses on the development of an automated flight test environment, including both the autonomous aircraft and the software needed for flight planning and data analysis. Based on the results from previous flight test campaigns for parametric model identification of the SwitchMaster, a distributed electric propulsion (DEP) scaled demonstrator, this work extends the aircraft capabilities to enable fully autonomous testing also in climb and descent conditions. The development of a custom autopilot, based on PX4 Autopilot and an extended version of the Total Energy Control System (TECS), allows for precise trimming with setpoints on airspeed and angle of climb. The possibility to trim at high angles of climb enables reducing airspeed while increasing throttle settings, thereby enhancing the motor blowing effects on the wings, where the coupling of aero-propulsive forces is more pronounced. Additionally, the maneuvers required for model identification were automated to ensure consistent excitation, repeatability and reliability of the tests. Following a preparation phase, during which the aircraft flight controller software was developed and the test campaign was designed using an upgraded Simulink-based simulator (which incorporated stability and control derivative trends retrieved from previous identification), a complete automated flight test campaign was successfully carried out. In addition, a software-in-the-loop (SITL) simulation suite was developed for continuous software testing and improvement. Based on the gathered data, a new model identification was performed, resulting in a more refined and reliable model, opening new possibilities for further model improvement and control law development. Finally, a propulsive control configuration was tested to demonstrate the platform full capabilities.

Questo progetto di tesi magistrale si concentra sullo sviluppo di un ambiente di test di volo automatizzato, comprendente sia l'aereo autonomo che il software necessario per la pianificazione delle campagne di test e per l'analisi dei dati raccolti. Basandosi sui risultati ottenuti nella precedente campagna di test volta all'identificazione parametrica del modello SwitchMaster, un dimostratore in scala con propulsione elettrica distribuita (DEP), questo lavoro estende le capacità del velivolo al fine di poter eseguire test in maniera autonoma, anche in condizioni di salita e discesa. Per fare questo, è stato necessario sviluppare una versione modificata di autopilota, basata sull'autopilota PX4 e sul Total Energy Control System (TECS), in grado di fornire una risposta precisa a setpoint di velocità e angoli di salita. La possibilità di stabilizzare l'aereo ad angoli di salita elevati consente di porci nelle condizioni di avere bassa velocità ed elevati valori di spinta, aumentando così gli effetti dovuti al flusso d'aria provocato dai motori sulle ali e mostrando maggiormente quindi gli effetti dell'accoppiamento aero-propulsivo. Inoltre, anche le manovre necessarie per l'identificazione del modello sono state automatizzate, per garantire un'eccitazione sempre consistente e ripetibile, aumentando così l'affidabilità dei test. Dopo una fase di preparazione, durante la quale il software del controllore di volo è stato modificato e la campagna di test progettata utilizzando una versione aggiornata del simulatore basato su Simulink (nel quale sono stati aggiunti gli andamenti delle derivate di stabilità e controllo ottenuti nella precedente identificazione), una campagna completa di test di volo è stata eseguita con successo. Inoltre, un ambiente di simulazione è stato sviluppato per un continuo test e aggiornamento del software. Utilizzando i dati raccolti, è stato possibile procedere con una nuova identificazione del modello, risultando in un modello più accurato e affidabile e aprendo nuove possibilità, sia per miglioramenti ulteriori del modello stesso, sia per lo sviluppo di leggi di controllo. Infine, è stata testata una configurazione del velivolo in cui il controllo avveniva attraverso la propulsione, in modo da dimostrare le complete capacità della piattaforma.