Novel modeling technology for UAS-S4 and UAS-S45 flight dynamics

Kuitche, Maxime Alex Junior (2020). Novel modeling technology for UAS-S4 and UAS-S45 flight dynamics. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The rapid development of unmanned flight systems in the aviation domain and the growing interest in environmental preservation are driving aircraft manufacturers to focus more and more on performance improvement techniques. In this case, improving the performance consists in achieving an optimal flight while reducing the amount of fuel consumed. However, the validation of a performance improvement technique can be very demanding in terms of money and time and can also lead to the destruction of the aircraft. To respond to these problems of financial and environmental resource reduction for the validation of performance improvement techniques and aircraft certification, this thesis proposes the design of a high precision flight simulation model. The main objectives are: 1) to design a dynamic flight model capable of accurately estimating the behaviour of UAS-S4 and UAS-S45 manufactured by Hydra Technologies; and 2) to ensure that the flight dynamics model allows the testing of performance improvement techniques and the implementation of a new control law.

This thesis relates essentially to the modeling of the flight dynamics of aircraft as well as to aircraft stability and control. It is articulated around four contributions. The first contribution focuses on the methodologies for obtaining the UAS-S4 and the UAS-S45 flight models. The proposed method divides the overall architecture of each aircraft into sub-models. Subsequently, each of the sub-models is estimated using numerical and experimental methods. This contribution shows that the proposed methodology requires only a minimum of data for the flight dynamics calculations.

The second contribution is related to the use of numerical methods for estimating the aerodynamic model of the UAS-S4 and the UAS-S45. In contrast to the various aerodynamic calculation methods available, the proposed method, which is based on nonlinear vortex lattices, provides high-fidelity results in an affordable time. To verify these results, experimental analyses were carried out on a model of the UAS-S45 wing in the Price-Païdoussis subsonic wind tunnel.

The third contribution examines the accuracy of fluid dynamics analysis methods as well as an improved blade elements theory for estimating aerodynamic propeller performance of the UAS-S4 and the UAS-S45. The two proposed numerical methods were validated using an experimental study in an open test section wind tunnel.

The fourth contribution proposes a new control method, using an LQR approach and a PI with reference feedforward controller for the stability and control of the UAS-S45. The robustness of the system is ensured using to an extended state observer. A fuzzy neural network was subsequently used for gain scheduling.

Titre traduit

Nouvelle technologie de conception de la dynamique de vol de l’UAS-S4 et de l’UAS-S45

Résumé traduit

La croissance rapide des systèmes de vol autonome dans le domaine arien ainsi que l’intérêt grandissant de la préservation environnementale, poussent les constructeurs d’aéronefs à s’intéresser de plus en plus à des techniques d’amélioration de performance. Améliorer la performance consiste, dans ce cas, à réaliser un vol optimal tout en réduisant la quantité de carburant consommé. Cependant, la validation d’une technique d’amélioration de performances peut être très couteuse en termes d’argent et de temps et également, causer la destruction de l’appareil. Pour répondre à ces problèmes de réduction ressources financières et environnementales nécessaires à la validation de techniques d’amélioration de performance et à la certification des aéronefs, cette thèse propose la réalisation d’un modèle de simulation de vol de grande précision. Les principaux objectifs de ce travail sont : 1) réaliser un modèle dynamique de vol capable d’estimer de manière précise le comportement des UAS-S4 et UASS45 conçus par Hydra Technologies ; 2) s’assurer que le modèle de dynamique de vol permette de tester des techniques d’amélioration de performance et implémenter une nouvelle loi de contrôles.

Cette thèse se rapporte, ainsi, essentiellement à la modélisation de la dynamique de vol des aéronefs ainsi qu’à la stabilité et au contrôle des aéronefs. Elle s’articule autour de quatre contributions. La première contribution est centrée sur les méthodologies d’obtention du modèle de vol de l’UAS-S4 et l’UAS-S45. La méthode proposée consiste à diviser l’architecture global de chaque aéronef en sous-modèles. Par la suite, chacun des sous-modèles est estimé en utilisant des méthodes numériques et expérimentales. Cette contribution montre que la méthodologie proposée ne nécessite qu’un minimum de données pour les calculs.

La deuxième contribution est liée à l’utilisation de méthodes numériques pour l’estimation d’un modèle aérodynamique des UAS-S4 et UAS-S45. Malgré les diverses méthodes de calcul aérodynamiques existantes, la méthode proposée, qui est basé sur un réseau de vortex non linéaire, permet d’obtenir des résultats de haute-fidélité en un temps abordable. Pour vérifier les résultats, des analyses expérimentales ont été réalisées sur un modèle réduit de l’aile de l’UAS-S45 dans la soufflerie subsonique Price-Païdoussis.

La troisième contribution examine la précision des méthodes d’analyses de dynamique de fluide ainsi que d’une amélioration de la théorie des éléments de pales pour l’estimation des performances aérodynamiques de l’hélice de l’UAS-S4 et UAS-S45. Les deux méthodes numériques proposées ont été validé à partir d’une étude expérimentale en soufflerie ouverte.

La quatrième contribution est liée à l’étude de la stabilité et du contrôle de l’UAS-S45. Dans cette contribution une nouvelle méthode de contrôle, utilisant une approche LQR et un contrôleur PI avec une action anticipatrice, est proposée. La robustesse du système est également assurée grâce à un observateur d’état étendu. Par la suite, un réseau neuronal flou est utilisé pour le séquencement de gain.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 203-221).
Mots-clés libres:	modélisation d’UAS, dynamique de vol, modélisation aérodynamique, modélisation de la propulsion, essais en soufflerie, commandes de vol, observateur d'états étendus
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	01 févr. 2022 20:56
Dernière modification:	01 févr. 2022 20:56
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2440

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