IMechE UAS Challenge: Implications of the stability and control on an Unmanned Aerial Vehicle

Abstract

[ES] El objetivo de esta tesis es presentar una primera visión acerca de la estabilidad estática y dinámica de un Sistema Aéreo No Tripulado (UAS) cumpliendo una serie de requisitos previamente establecidos por el IMechE UAS Challenge 2022, donde será expuesto. El modelo cuenta con mecanismos de última generación, ya que se trata de un biplano ingeniado para ser capaz de realizar tanto maniobras VTOL como vuelos horizontales. Su dinámica se analizará mediante la modelización matemática y la posterior linealización del sistema en torno a su punto de funcionamiento. Esto último constituye un paso esencial para la futura aplicación de las estructuras de control y la ley de navegación para guiar al UAS dentro de una trayectoria predefinida. Para poner a prueba el movimiento del UAS se utiliza Simulink. El modelo dinámico no lineal se fundamenta en la particularización de las ecuaciones de Bryan, cuyo modelo aerodinámico se abordará mediante el software XFLR5 y correlaciones semiempíricas. Se estudiarán métodos para mejorar la respuesta natural del UAS en vuelo a través de sus modos de movimiento longitudinal y lateral en MATLAB.

[EN] The object of this dissertation is to present a first insight into how the static and dynamic stability of an Unmanned Aircraft System (UAS) can be investigated accomplishing a set of requirements previously stated by the IMechE UAS Challenge 2022, where it shall be exhibited. The model features state-of-the-art mechanisms, as it is an engineered biplane aircraft capable to perform both VTOL manoeuvres and horizontal flights. Its dynamics will be analysed through mathematical modelling and the subsequent linearization of the system around its operating point. The latter constitute an essential step for the prospective application of control structures and the navigation law to guide the UAS within a pre-defined path. Simulink is being used to put UAS motion to the test. The non-linear dynamic model is substantiated on the Bryan's equations particularisation, whose aerodynamic model will be approached through both XFLR5 software and semi-empirical correlations. Methods to ameliorate the UAS natural response in-flight will be studied through its longitudinal and lateral modes of motion in MATLAB.