Coupled Analysis for 6-DOF Dynamics of UAV and Modified Blade Element Momentum Theory considering Gust and Flight Conditions

Abstract

New industries such as reconnaissance, surveillance, and courier services are attracting attention as demand and supply of unmanned aerial vehicles increase. Accordingly, many related technologies of unmanned aerial vehicles are being developed. Among them, quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV), which is the most famous, is widely used. The vision arrival, and departure algorithm, and many other new technologies have been used to facilitate the use of UAV in urban areas, such as courier transportation or reconnaissance. However, there is a high risk of falling due to crosswinds or shear flows between buildings in urban areas. Therefore, this thesis aims at realistic flight prediction capability by combination between six degree of freedom flight dynamics and precision aerodynamics while considering gust as significant influencing factor. Transformation procedure into the wind frame is conducted to analyze gust. Hover, forward flight, and climb of an individual rotor are analyzed using the blade element momentum theory (BEMT) considering rigid blade flapping. In addition, coupled analysis between 6-degree-of-freedom (DOF) flight and BEMT is attempted. Reliability of the software, XFOIL, is demonstrated by comparison against CFD. Validation for hover, forward flight, and climb condition is attempted using the present BEMT. The experimental environment for the target UAV and verification for hover are performed. In addition, experimental equipment is designed for the wind tunnel test and the experiment will be performed. Through the dynamic characteristics of the HILS system provided by DJI and the parameter estimation, the present 6 degree of freedom simulation that can estimate the gain of the black box type flight controller is constructed.

무인비행체의 수요 및 공급이 증가하고 정찰, 감시, 택배등의 새로운 산업이 각광받고 있다. 이에 따라 무인비행체의 관련된 많은 기술들이 개발되는 실정이며 그 중에서도 가장 복잡하지 않은 형태인 쿼드로터 무인기가 많이 사용되고 있다. 이 무인기를 사용하여 도심지에서 택배 운송 혹은 정찰 등에 용이하게 쓰기 위해 카메라를 이용한 비전 알고리즘, 출 도착 알고리즘, 그 외의 많은 신기술들이 사용되고 있으나 도심지의 무인 비행체 운용여건상 건물 사이를 흐르는 측풍 이나 전단류 등에 의하여 추락할 위험성이 높다. 따라서 본 논문에서는 그러한 위험성을 해석하기 위해, 쿼드로터형 무인비행체의 공력 특성을 반영한 6 자유도 해석의 프레임워크를 구축하였다. 돌풍 및 비행 조건들을 고려하기 위해 바람의 좌표계 변환 개념을 제시하였으며, 강체 블레이드 플래핑 운동방정식을 고려한 깃 요소 및 운동량 이론을 이용해 개별 로터의 제자리, 전진, 상승 비행을 해석하였다. 또한 XFOIL을 사용하여 공력 결과를 도출하였고 이를 전산유체역학 해석으로 검증하였다. 개발된 BEMT를 이용하여 제자리, 상승, 전진 비행 조건에 대해 검증을 수행하였다. 또한 목표 기체인 DJI Matrice 100의 블레이드의 삼차원 스캐닝을 수행하여 로터의 제자리 비행 특성을 비교 및 검증하였으며, 추가 풍동실험을 위해 실험장비를 설계하였다. 또한 DJI에서 제공하는 HILS 시스템의 동특성 파악과 파라미터 추정을 통해 블랙박스 형태인 비행 제어기의 게인을 추정 가능한 6 자유도 시뮬레이션을 구축하였다.