Multiaspect power optimization based on induced flow considerations
Abstract
Populariteten av droner har økt voldsomt de siste årene. I motsetning til helikoptre, har dronermange tettsittende rotorer. Disse rotorene påvirker hverandre aerodynamisk, noe som fører tilendringer i det induserte tapet. Tidligere har det ikke vært mulig å analysere denne interaksjonendirekte, men en analytisk modell har nylig blitt formulert. Dette muliggjør en effektivbeskrivelse av kontrollfordelingens innflytelsen på det induserte tapet.Denne avhandlingen undersøker hvilke grep som kan tas for å minimere tap under flygning.Til grunne for en slik analyse ligger formulerte modeller som beskriver dynamikken til dronenslegeme, luftstrømningene og aerodynamikken til de roterende propellene. Samlet streber de åetterlikne oppførselen til en ekte drone. For å beskrive oppførselen til dette systemet har bådestatisk og dynamisk analyse blitt tatt i bruk. Statisk analyse har også blitt utført på modellermed forskjellig antall rotorer for å vise det større bilde. Beregninger har vist at det er muligå oppnå inntil flere prosent reduksjon i totale tap for systemer med mange rotorer. I tillegg tilkontrollfordeling har også optimale translasjonsstrategier blitt analysert. Ved å bevege seg medden optimale hastigheten for et gitt rotorsystem, kan energitapet reduseres med inntil 30%. The use of multicopters has increased dramatically in recent years. In contrast to helicopters,they have several closely located rotors, which interact with one another aerodynamically. Thisinteraction is directly linked to the induced power losses, which it can increase or decrease.Thanks to an analytical formulation of the interaction between the rotors, it is possible toanalyze how control allocation affects the power losses.This thesis examines and implements power-loss minimizing strategies on multicopters.Accurate and scalable models are produced describing rigid body dynamics, inflow dynamics,and airloads. Combined, they aim to represent the behavior of multicopters accurately. Toanalyze the system, both steady-state and dynamical analyses have been conducted. In orderto showcase the results on a larger spectrum, steady-state analysis has also been performed onsystems with varying rotor counts. Computations have shown that it is possible to achieve areduction in total losses of several percents for systems with many rotors. In addition to controlallocation, optimal translational strategies have also been analyzed. By translating optimally,a given rotor system can reduce the power losses by up to 30%.