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Identification and validation of a model of the Bell-427 helicopter from flight test data with a time-domain method

De Jesus Mota, Sandrine (2009). Identification and validation of a model of the Bell-427 helicopter from flight test data with a time-domain method. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Une nouvelle technique pour I'identification d'un modèle d'hélicoptere Bell-427 est presentee. Le modele est identifie et valide pour 22 conditions de vol, chacune etant definie par une altitude variant de 3000 pieds a 6000 pieds, une vitesse variant de 30 noeuds a 115 noeuds, un helicoptere lourd et un centre de gravite longitudinal etant en avant et en arriere de l'helicoptere. Pour identifier les modeles, des commandes de type 2-3-1-1 sont executees par le pilote dans le but d'exciter tous les modes du système.

Pour identifier le mouvement longitudinal et lateral de I'helicoptere, un nouveau jeu de donnees est construit en concatenant les donnees reliees a chaque commande du pilote. Le modele construit est sous la forme d'espace d'etat oil les vitesses lineaires et angulaires, et les angles d'Euler representent les etats du systeme et les accelerations lineaires sont les sorties du systeme.

Deux problematiques majeures sont resolues dans ce memoire. La premiere concerne I'equation d'etat. Une relation de recurrence entre les etats est definie. Puis, une optimisation basee sur la theorie des reseaux de neurones est realisee et un reglage manuel et automatique des conditions initiales des etats est fait afin de satisfaire les regies de la FAA. La seconde problematique est reliee a I'equation de sortie. A cause des effets aleatoires lors de la prise de mesure, les equations classiques du mouvement ne donnent pas de resultats satisfaisants pour observer les sorties du systeme a partir des etats du systeme. Deux methodes (une lineaire et une non-linéaire) sont presentees et une comparaison des trois methodes est realisee pour determiner la methode la plus appropriee. Dans le but d'effectuer une comparaison propre, une liste de criteres est formee dont chacun est associe a un coefficient de ponderation selon son importance. Avec cette comparaison, les sentiments subjectifs du pilote sont pris en compte.

Chaque modele identifie a une condition de vol doit etre valide par trois differents tests de vol non utilises pour I'identification. De plus, chaque signal estime doit rester dans la bande de tolerance definie par la FAA selon le type de mission de I'helicoptere. Pour les tests de validation, les signaux estimes doivent rester dans les bandes de tolerance un minimum de trois secondes.

De bons resultats sont obtenus en boucle ouverte et en boucle fermee pour I'estimation des signaux d'etat. La methode lineaire s'est averee la meilleure pour observer les sorties du systeme a partir des signaux d'etat. Les matrices obtenues a chaque condition de vol sont interpolees pour obtenir le modele de I'helicoptere pour toutes les conditions de vol. Les tests de vol non utilises pour I'identification et la validation du modele sont utilises pour l'interpolation du modele. Les signaux estimes satisfont les regies de la FAA.

La generalisation du modele pourrait etre encore affinee ce qui permettrait d'implementer le modele dans un simulateur, utilise pour I'entrainement des pilotes et de I'appliquer comme base pour Fetude d'autres helicopteres.

Titre traduit

Identification et validation d'un modèle de l'hélicoptère Bell-427 à partir de données de vol avec une méthode temporelle

Résumé traduit

A new technique for the Bell-427 helicopter model identification from flight data tests is here presented. A helicopter model is identified and validated for 22 flight conditions, which is defined by an altitude varying between 3,000 ft and 6,000 ft, a speed varying from 30 knots to 115 knots, a helicopter loading with a heavy gross weight and a longitudinal aft and forward center of gravity. To identify the models, 2-3-1-1 multistep control inputs are perfonned by the pilot to excite all helicopter modes. In order to identify the global motion of the helicopter, a new data set is constructed by concatenating the data related to each of the four control inputs. The model is represented in the state space form where linear and angular velocities and Euler angles are the state variables and linear accelerations are the output variables.

Two major problems are solved in this thesis. The first problem concerns the state equation. A recurrence relationship is set up. Then, an optimization based on neural network theory is performed and a manual and automatic tuning of the initial state conditions is done in order to satisfy the FAA rules. The second problem regards the output equation. Because of random effects when gathering data, classical equations of motion do not give good enough results to observe the system outputs from the system states. Thus, two other methods (one linear and one nonlinear) are presented and a comparison among the three methods is perfonned in order to find the powerful method. To realize a proper comparison, a list of criteria is done with weighted coefficients associated to each criterion. By use of this comparison, subjective feelings of the pilot are considered.

Each identified model in a flight condition is validated by three different flight tests not used to identify the model. Then, each estimated signal has to remain in a tolerance margin defined by the FAA according to the flight mission of the helicopter. Finally, for the validation tests, estimated signals must be within the tolerance margins for at least three seconds.

Good results are obtained in open-loop and closed-loop for the states identification. The best final score is obtained with the linear method in order to observe the system outputs from its states. The obtained matrices are interpolated to obtain the model for any flight condition. Flight tests not used for the identification and validation of the model are used for the model interpolation. The estimated signals satisfy the FAA rules.

The model generalization could be improved in order to implement it in a simulator, which would be use for the pilot training, and apply it as a basis for other helicopters study.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science in engineering." Bibliogr : f. [90]-91.
Mots-clés libres: Hélicoptères. Hélicoptères Systèmes de commande. Bell (Hélicoptère), 427, Bell, Équation, État, FAA, Modèle, Neurone, Optimisation, Réseau, Sortie, Système, Validation, Identification
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 17 mars 2011 17:48
Dernière modification: 03 janv. 2017 21:10
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/609

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