Endurance improvement of mini UAVs through energy harvesting from atmospheric gusts

par Nikola Gavrilovic

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Jean-Marc Moschetta et de Emmanuel Bénard.

Le président du jury était Bosko Rasuo.

Le jury était composé de Jean-Marc Moschetta, Emmanuel Bénard, Bosko Rasuo, Jack Langelaan, Chris Toomer, Murat Bronz.

Les rapporteurs étaient Bosko Rasuo, Jack Langelaan.

  • Titre traduit

    Amélioration de l'endurance des mini-drones grâce à la récupération d'énergie à partir de rafales atmosphériques


  • Résumé

    Cette thèse a pour but de découvrir la faisabilité et le potentiel de la récupération d'énergie à partir de rafales atmosphériques pour les micro et mini véhicules aériens sans pilote. L'atmosphère sert de grande source d'énergie pouvant être récoltée afin d'accroître la performance des petits UAV sous la forme d'une autonomie et d'une autonomie étendues. Il est bien connu que de nombreuses espèces d'oiseaux utilisent diverses techniques de vol pour obtenir des performances de vol étonnantes. Compte tenu du fait que les véhicules susmentionnés partagent la taille et la vitesse de vol avec des dépliants naturels, cette thèse peut être considérée comme une application des techniques de vol bio-inspirées pour les véhicules construits par l’homme. Cette étude de trois ans visait à établir une dérivation théorique des équations qui décrivent la dynamique de vol d'un aéronef en présence d'un environnement en rafales. La première réalisation a été la démonstration du mécanisme de récupération d'énergie et des paramètres d'influence à travers des simulations décrivant le vol en modèle de masse ponctuelle d'aéronef avec un contrôle optimisé de l'ascenseur en présence d'un profil de vent sinusoïdal et stochastique. La réalisation suivante est liée à un système sensoriel inspiré par la biologie qui utilise des mesures de pression des ailes pour estimer l’angle d’attaque local. Ce système particulier a été utilisé dans l’estimation du champ de vent, en tant que mécanisme décisif et protection contre le décrochage. Enfin, les dernières contributions sont liées à l’expérience et aux résultats obtenus lors d’essais en vol visant à prouver l’augmentation de l’état énergétique de l’avion lors des manœuvres de récupération d’énergie. La première campagne d'essais en vol a été réalisée avec un mini-UAV disponible dans le commerce équipé de sondes à trous multiples et d'un contrôleur conçu sur mesure. Cette campagne a démontré l’augmentation de l’état d’énergie dans un fort gradient de vent horizontal. La deuxième campagne d'essais en vol a été réalisée avec une aile volante équipée d'un système de détection de pression pour l'estimation du champ de vent. Cette campagne a également impliqué des économies supplémentaires sur la consommation d'énergie électrique lors des vols de récupération d'énergie.


  • Résumé

    This thesis aims at discovering the feasibility and potential of energy-harvesting from atmospheric gusts for micro and mini unmanned aerial vehicles. The atmosphere serves as a great source of energy that can be harvested in order to increase performance of small UAVs in form of extended endurance and range. It is well known that many bird species use various flight techniques for achieving astonishing flight performances. Considering the fact that aforementioned vehicles share size and flight speed with natural flyers, this thesis can be considered as an application of bioinspired flight techniques for man made vehicles. This three-year study set out to establish a theoretical derivation of equations that describe flight dynamics of an aircraft in presence of gusty environment. The first achievement was demonstration of energy harvesting mechanism and influencing parameters through simulations that describe aircraft point mass model flight with optimized control of elevator in presence of sinusoidal and stochastic wind profile. The next achievement is related to a biologically inspired sensory system that uses wing pressure measurements for local angle of attack estimation. That particular system found purpose in wind field estimation, as decisive mechanism and stall protection. Finally, last contributions are related to experience and results gained from flight tests which aimed to prove increase in energy state of the aircraft while performing energy harvesting maneuvers. The first flight test campaign was performed with commercially available mini UAV equipped with multi-hole probes and custom designed controller. This campaign demonstrated the raise in energy state within strong horizontal wind gradient. The second flight test campaign was done with a flying wing equipped with pressure sensing system for wind field estimation. This campaign also involved additional insight savings in electrical power consumption during energy harvesting flights.


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