Development of a Real-Time Multi-rotor UAV Flight Simulation considering Aerodynamic Interference among the Rotors

Abstract

A multirotor unmanned aerial vehicle (UAV) has advantages such as ease of manufacture and control. Due to those advantages, UAV has been widely used in the civil and military field. Recently, as the demand for operating UAV in urban is increased, the major usage of UAV is changed from personal hobbies to commercial operations which are related to urban infrastructure. However, it is not straightforward to operate UAV in urban because of the risks such as instability of flight and crash accidents due to the gust. For quantifying those risks, it is important to predict the transient behavior of UAV accurately. Thus, this dissertation is focused on the development of a real-time multirotor UAV flight simulation that is capable of ensuring the accuracy of dynamic behavior. The following considerations will be applied in the present flight simulation to enhance its prediction accuracy. First, the rotor aerodynamic analysis will be proposed to predict the aerodynamic loads of the rotor. The dynamic inflow approach and and rigid blade flapping will be considered in this rotor anaylsis. However, since the dynamic inflow approach was developed only for a single rotor, a novel formulation that is efficient and simple will be derived to evaluate the aerodynamic interference among the rotors. Then, the flight dynamics and the proposed rotor aerodynamics will be integrated for establishing the relevant flight simulation. Several constraints such as the rotational speed of the rotor and fuselage tilting angle limitation which are obtained by the trim anaylsis will be applied to the present flight simulation. Furthermore, a straightforward approach to estimate an unidentified gust will be developed and implemented for the present simulation. The verification procedure for the present flight simulation will be performed step by step. The results obtained by the present rotor aerodynamics will be compared and validated by the experimental result and high-fidelity analysis for both an isolated rotor and multirotor configurations. Then, the components such as the controller, and dynamic characteristics will be evaluated. Based on this, the proposed flight simulation will be compared against the flight test. Particulary, the gust experiment which corresponds to the urban environment will be used to evaluate the present simulation. Further, the influence of the rigid blade flapping, aerodynamic interference, and gust intensity will be investigated and analyzed. It is found that a suitable rotor aerodynamic analysis is an important consideration to estimate the transient behavior of UAV.

다중로터 무인항공기(UAV)는 제조 및 제어가 용이하다는 장점이 있다. 이러한 장점들로 인해, 무인 항공기는 민간 및 군사 분야에서 널리 사용되어 왔다. 최근, 도시에서의 무인 항공기 운영에 대한 수요가 증가함에 따라 무인 항공기의 주요 용도가 개인 취미에서 도시 인프라와 관련된 상업적 운영으로 변경되고 있다. 그러나 돌풍으로 인한 비행 불안정, 추락 사고 등의 위험 때문에 도심에서 무인 항공기를 운용하는 것은 쉽지 않다. 돌풍과 관련된 위험을 정량화하기 위해 UAV의 동적 거동을 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 따라서, 본 논문은 동적 거동의 정확성을 보장할 수 있는 다중로터 무인 항공기 비행 시뮬레이션 개발을 목표로 한다. 예측 정확도를 높이기 위해 다음과 같은 사항들을 본 비행 시뮬레이션에 적용하였다. 첫번째로, 로터의 공기역학 하중을 도출하기 위해 적용이 용이한 로터 해석 기법을 제시하였다. 이 로터 분석에서는 동적 유입류 기법과 강성 블레이드 플랩핑이 고려되었다. 그러나 기존의 동적 유입류 기법은 단일 로터에 대해서만 개발되었기 때문에 로터 간의 공기역학적 간섭을 고려하기 위해 효율적이며 간략화된 새로운 방식의 정식화를 유도하였다. 그런 다음 비행 역학과 제안된 로터 공기 역학을 결합하여 비행 시뮬레이션을 구축한다. 트림 분석을 통해 얻은 로터의 회전 속도 및 동체 틸팅 각도 제한과 같은 몇 가지 제약 조건이 현재 비행 시뮬레이션에 적용된다. 또한, 현재 시뮬레이션을 위해 식별되지 않은 돌풍을 추정하는 간단한 접근법을 개발 및 적용하였다. 현재 비행 시뮬레이션에 대한 검증 절차는 단계별로 수행된다. 현재 로터 공기역학에서 얻은 결과는 단일 로터와 다중 로터 구성에 대한 실험 결과와 고충실도 분석를 이용하여 비교 및 검증이 수행된다. 그런 이후, 제어기 및 동적 특성과 같은 구성 요소에 대한 검증이 수행된다. 해당 검증을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 제안된 비행 시뮬레이션이 비행 실험 결과와 비교된다. 특히, 도심 환경을 모사한 돌풍 실험은 현재 시뮬레이션을의 정확성을 평가하는 데 사용하였다. 또한 강체 블레이드 플랩핑, 공기역학적 간섭, 그리고 돌풍 강도에 대한 영향들이 조사 및 분석되었다. 이를 통해 무인 항공기의 동적 거동을 추정하기 위해 적합한 로터 공기역학 해석기법이 중요한 고려사항임을 확인하였다.