Original title:
Optimalizace přechodu elektricky poháněného konvertoplánu s překlopnými rotory
Translated title:
Tiltrotor eVTOL Transition Trajectory Optimization
Authors:
Gofroj, Patrik ; Dobrovský, Ladislav (referee) ; Nechvátal, Luděk (advisor) Document type: Master’s theses
Year:
2022
Language:
eng Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství Abstract:
[eng][cze]
Tato diplomová práce se zaměřuje na optimalizaci přechodu elektricky poháněného konvertoplánu s překlopnými rotory mezi klidem a letem na křídle. Práce na začátku obsahuje stručný úvod do dynamiky letu, do základních používaných souřadnicových systémů (včetně vzájemných transformací) a také krátké shrnutí problematiky optimalizace a úvod do teorie grafů. Praktická část této práce se zaobírá navržením a vytvořením modelu hmotného bodu ve dvourozměrné vertikální rovině $xz$, který implementuje všechny popsané zákonitosti dynamiky letu letadla s vertikálním vzletem se specifickou konfigurací parametrů. Model je vytvořen původně se zpětnou vazbou, následně je upraven tak, aby byl pouze v otevřené smyčce. Chování modelu je simulováno v otevřené smyčce. Vstupními paramatry jsou různé kombinace horizontálních a vertikálních rychlostí, úhlu náklonu letadla, náklonu rotoru a úhlu požadované akcelerace letadla. Tyto parametry jsou náležitě omezeny a diskretizovány pro pozdější zpracování. Výstupem ze simulace je celkové zrychlení a požadovaný mechanický výkon rotorů pro všechny validní kombinace. Následně je navržen algoritmus zpracování vstupně-výstupních dat, který je postaven právě na teorii grafů. Vstupně-výstupní data jsou zpracována, je z nich vytvořen orientovaný graf, který popisuje všechny možné a validní přechody mezi jednotlivými stavy. V grafu je nalezena nejvhodnější trajektorie, která je optimalizovaná podle spotřebované energie. Po nalezení takové trajektorie je extrahována přesně načasovaná sekvence vstupních úhlů, která může sloužit jako ovládací příkaz pro letadlo. Tato sekvence je následně otestována, a to tak, že je vložena právě jako vstupní parametr do modelu letadla v uzavřené smyčce. Výstupem z této simulace jsou časové průběhy požadovaných tahů rotorů, celková energetická spotřeba, pozice a rychlosti letadla a odchylka od požadovaného směru okamžitého zrychlení. Celý navržený proces ukazuje slibné výsledky, kde algoritmus dokáže najít správnou trajektorii, přičemž optimalizuje na minimum spotřeby energie, a zároveň je letadlo schopno projít úspěšně celým přechodem do letu na křídle bez jakékoliv ztráty letové výšky anebo odchylky od žádaného úhlu akcelerace. Přesto algoritmus slouží primárně jako ověření konceptu, kdy je značně zjednodušen pro modelový případ letadla ve 2D. Simulace celého scénáře přechodu uvažuje, že celý proces proběhne v konstantní výšce mezi vznášením se a horizontálním letem. Navržené řešení ukázalo značný potenciál a bylo by vhodné jej v budoucnu rozšířit.
This thesis focuses on the optimization of transition of electric vertical take-off and landing aircraft (eVTOL for short) with tiltable rotors between being still and a wingborne flight. The thesis begins with a short introduction into flight dynamics, a general framework of different reference frames (and their interactions) is presented, and also basic graph theory principles are explained. In the practical part of this thesis, a MATLAB/Simulink simulation environment is proposed, where the flight dynamics are applied onto a 2 Degrees of Freedom point-mass model of an eVTOL aircraft in a 2D vertical plane. The model is simulated in all possible parameter configurations of note, which include different velocities, pitch angle, and rotor tilt angles. As the simulation results are obtained, a data processing algorithm heavily utilizing graph theory is proposed. A graph representation of state space, which defines all the possible and valid configurations of an aircraft is generated. An optimal trajectory of explored parameters is searched for in this graph. As the optimal path (relative to power consumption) is found, it is then properly scaled and timed to function as a set of commands to the aircraft. Then, the 2D model of aircraft in closed-loop is simulated, and results showing the time course of parameters, calculated rotor thrusts, total power needed for transition as well as aircraft velocity and position are generated and discussed. The algorithm serves mainly as a proof of concept since the case scenario describes the transition between hover at specific altitude and transition to wingborne while maintaining constant altitude and staying in level flight. The algorithm proves itself to be very capable of finding multiple paths, each compliant with the requirement of keeping a constant height and successfully transitioning to wingborne flight while optimizing along with minimal energy consumption.
Keywords:
elektricky poháněný konvertoplán (eVTOL); optimalizace spotřeby energie; optimální trajektorie; teorie grafů; electric vertical take-off and landing aircraft (eVTOL); energy optimization; graph theory; optimal trajectory
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: http://hdl.handle.net/11012/254285
guest ::
