Modelling and Safety-based Path Planning of Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicle in Icing Conditions
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3093323Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Etter hvert som ubemannede luftfartøyer (UAV) fortsetter å øke i popularitet,utvides bruksområdet deres. Utfordringer knyttet til operasjoner under harde vær-forhold, spesielt ising, dukker opp sammen med nye bruksområder og strengerekrav til pålitelighet. Denne avhandlingen konfronterer disse utfordringene ved åutvikle en omfattende matematisk modell av en spesifikk fastvinget UAV, kalt Falk,som inkluderer påvirkningen av ising på aerodynamikk og vektfordeling.
Falk-modellen er simulert i forskjellige isingsscenarier: ingen is, iset vinge, isethale og fullt iset (både vinge og hale er iset) under ulike isingsforhold. Isings-forholdene bestemmes først og fremst av temperatur, absolutt luftfuktighet (LWC)og vanndråpestørrelse (MVD). Ulike værforhold bidrar til akkumulering av for-skjellige isformasjoner. Fokuset i denne studien er å forstå hvordan ulike isdan-nelser påvirker Falks flyegenskaper og stabilitet. Fra stamp og rull sprangresponserundersøkes modellens begrensninger på grunn av isakkumulering, spesielt kon-trollflatemetning. Studien finner at i en stampmanøver påvirker distinkte isdan-nelser flyegenskapene betydelig forskjellig. I noen forhold kan is kun på halenredusere stabilitetsmarginene mest, mens i andre er is på vingen og halen mestalvorlig. Viktigst av alt, under svært alvorlige isforhold vil høyderoret gå i metning.
Spranget i rull gjøres i en koordinert sving for å opprettholde høyden. I en sliksving er en isete hale mest innflytelsesrik på flyegenskapene, og kan føre til plut-selig metning av balanseroret og dermed ustabiliteter. Interessant nok fører is påbare vingen til mindre reduksjon av styrerorenes metningsmarginer. En iset vingeøker imidlertid luftmotstanden og dermed energiforbruket betydelig. Stamp ogrull-manøvrene under isingsforhold understreker kompleksiteten til isdannelserog flydynamikk.
Modellen blir deretter integrert i en baneplanlegger som bruker en Rapidly-exploringRandom Tree-algoritme, nærmere bestemt RRT* algoritmen. Planleggeren tar siktepå å finne en nesten optimal, energieffektiv bane som begrenser eksponeringenfor isforhold og unngår farer forårsaket av ugjestmildt vær. Den tar også hen-syn til vind, som påvirker flyegenskapene betydelig. Ytterligere funksjoner somunngåelse av hindringer og terrengfølging er integrert i planleggeren. Resultatetfra baneplanleggeren er den mest energieffektive banen som er trygg å fly utenbruk av et avisingssystem (IPS). Store områder med isende forhold kan begrensebaneplanleggeren på den måten at den ikke kan finne en gjennomførbar bane.Videre arbeid med å implementere en avisingsmodell vil utvide bruksområdet tilbaneplanleggeren.
Baneplanleggeren er testet i både kunstige og virkelige miljøer, og den demon-strerer sin evne til å unngå isingsfarer og finne en sikker bane. Mens planleggerenfortsatt er i en konseptuell fase, viser den et betydelig potensial for videreutviklingog anvendelser. Denne avhandlingen gir verdifull innsikt i isingsproblematikkenhos UAVer, og fremmer sikkerhet og effektivitet i et voksende bruksområde. As Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) continue to rise in popularity, their rangeof applications expands. Challenges associated with operating in harsh weatherconditions, particularly icing, arise along with new applications and stricter reliab-ility demands. This thesis confronts this concern by developing a comprehensivemathematical model of a specific fixed-wing UAV named Falk, which includes theeffects of icing on aerodynamics and weight distribution.
The Falk model is simulated in different icing scenarios: no ice, iced wing, icedtail, and fully iced (both wing and tail iced) in various icing conditions. The icingconditions are primarily determined by temperature, liquid water content (LWC)in the air, and water droplet size (MVD). Various weather conditions contribute tothe accretion of different ice formations. This study focuses on understanding howdifferent ice formations affect the UAV’s flight performance and stability. Frompitch and roll step responses, the model’s limitations due to ice accumulation areinvestigated, particularly control surface saturation. The study finds that in a pitchmaneuver, distinct ice formations affect performance significantly differently. Insome conditions, ice only on the tail reduces the stability margins the most, whilein others, ice on the wing and tail is the most serious. Most importantly, in verysevere icing conditions, the elevator will go into saturation.
The rolling step is done in a steady coordinated turn to maintain altitude. In suchturn is an iced tail most influential and can lead to sudden aileron saturation andinstabilities. Interestingly, ice on just the wing leads to less reduction of controlsurface saturation margins. However, an iced wing significantly increases drag andpropulsion power. The pitch and roll maneuvers in icing conditions underscore thecomplexity of ice formations and flight dynamics.
The model is then integrated into a path planner that utilizes a Rapidly-exploringRandom Tree algorithm, specifically the RRT* algorithm. The planner aims to finda near-optimal, energy-effective path that limits exposure to icing conditions andavoids any icing hazards. It also considers winds, which significantly affect flightperformance. Additional capabilities like obstacle avoidance and terrain followingare incorporated into the planner. The resulting path is the most cost-effective thatis safe to fly without the use of an ice protection system (IPS). The path planneris limited to the fact that there must be a feasible path that does not violate anyconstraints. Further work on implementing IPS will expand the versatility of thepath planner.
The path planner is tested in both artificial and real-world environments, demon-strating its ability to avoid icing hazards and find a safe path. While the planneris still in a conceptual phase, it shows considerable potential for further devel-opment and application. This research provides valuable insights into addressingicing problems in UAV operation, promoting safety and efficiency in a growingfield.