Power optimisation of autonomous rotorcraft

Abstract

Den raske veksten av droner de siste årene har muliggjort ulike bruksområder på tvers av forskjellige bransjer. Samtidig har Norge vedtatt European Aviation Safety Agency (EASA) regelverket som ble innført i 2021 for å regulere bruken av ubemannede luftfartøyer (UAV). Ettersom mange UAV-er er avhengige av batteri, er deres flytid begrenset. Derfor dukker det opp et rom for å optimalisere energiforbruket gjennom justeringer i UAV-flyhastigheten for å spare tilgjengelige energiressurser.

Hovedmålet med denne oppgaven er å undersøke kraftoptimalisering av multirotorer under foroverflyvning mens de overholder lovbestemmelser i ulike operasjonsscenarier. For å nøyaktig simulere kraftforbruk under flyging, vil studien benytte en nylig publisert innstrømningsmodell utviklet av Matras. I motsetning til helikoptre med én rotor, har multirotorer flere tett plasserte rotorer som påvirker hverandre. Modellering av denne intrikate rotorinteraksjonen er avgjørende for presis kraftestimering, og er implementert uten tunge beregninger.

For å demonstrere anvendeligheten av simuleringsrammeverket av Matras og Pedersen for nåværende droneoperatører, ble relevante casestudier konstruert for å gjenspeile virkelige scenarier. Gjennom parameteridentifikasjon ble rammeverket dermed satt opp og tilrettelagt for å simulere de respektive multirotormodellene brukt for ulike scenarier.

Av de fire casestudiene som er presentert, viser resultatene at regulatoriske begrensninger kan komme til å påvirke den foreslåtte optimale flyhastigheten for minimalt kraftforbruk. Ved å justere UAV-ens foroverhastighet, kan maksimal flytid eller maksimal rekkevidde oppnås. Resultatene fra disse simuleringene kan hjelpe operatører med utvikling av energisparende strategier innenfor gjeldende UAV-regelverk. Videre legger resultatene grunnlaget for å inkludere flere scenarier og omfatte andre multirotorer.

The rapid growth of drones in recent years has facilitated diverse applications across various industries. Simultaneously, Norway has adopted the European Aviation Safety Agency (EASA) regulations that were introduced in 2021 to govern the operation of unmanned aerial vehicles (UAVs). As many UAVs rely on battery power, their flight endurance is inherently constrained. Therefore, optimising energy consumption through adjustments in UAV flight speed emerges as a potential strategy to conserve available energy resources.

The primary objective of this thesis is to examine the power optimisation of multirotors during forward flight while complying with legal regulations in various operational scenarios. To accurately simulate power consumption during flight, the study will utilise a recently proposed inflow model developed by Matras and Pedersen. Unlike helicopters with a single rotor, multirotors feature multiple closely positioned rotors that influence each other. Modelling this intricate rotor interaction is crucial for precise power estimation, and is embodied in the model without heavy computational effort.

To demonstrate the applicability of the simulation framework by Matras to current drone operators, relevant case studies were constructed to reflect real-world operating scenarios. Through initialising and parameter identification, the framework was thus set up and facilitated in order to simulate the respective multirotor models applied for different scenarios. Since the simulation framework offers scalability to existing drones with planar, non-overlapping rotors, valid simulations of power usage were conducted.

Of the four case studies presented, results show regulatory constraints influence the proposed optimal flying speed for minimised power consumption in half of them. By adjusting the UAVs forward speed, maximum flight time or maximum range can be attained. The insights gained from these results can help operators with the development of energy-saving strategies within current UAV regulations. Furthermore, the results lay the foundation to include additional scenarios and encompass other multirotor platforms, thereby facilitating further advancements in the field, especially with the new regulations arranging for larger UAVs, not necessarily operating in the very low-level (VLL) airspace.