비행조건과 돌풍의 영향을 고려한 Blade Element Momentum Theory와 쿼드로터형 무인 비행체의 동역학 결합 해석

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계항공공학부, 2019. 2. 신상준.New industries such as reconnaissance, surveillance, and courier services are attracting attention as demand and supply of unmanned aerial vehicles increase. Accordingly, many related technologies of unmanned aerial vehicles are being developed. Among them, quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV), which is the most famous, is widely used. The vision arrival, and departure algorithm, and many other new technologies have been used to facilitate the use of UAV in urban areas, such as courier transportation or reconnaissance. However, there is a high risk of falling due to crosswinds or shear flows between buildings in urban areas. Therefore, this thesis aims at realistic flight prediction capability by combination between six degree of freedom flight dynamics and precision aerodynamics while considering gust as significant influencing factor. Transformation procedure into the wind frame is conducted to analyze gust. Hover, forward flight, and climb of an individual rotor are analyzed using the blade element momentum theory (BEMT) considering rigid blade flapping. In addition, coupled analysis between 6-degree-of-freedom (DOF) flight and BEMT is attempted. Reliability of the software, XFOIL, is demonstrated by comparison against CFD. Validation for hover, forward flight, and climb condition is attempted using the present BEMT. The experimental environment for the target UAV and verification for hover are performed. In addition, experimental equipment is designed for the wind tunnel test and the experiment will be performed. Through the dynamic characteristics of the HILS system provided by DJI and the parameter estimation, the present 6 degree of freedom simulation that can estimate the gain of the black box type flight controller is constructed.무인비행체의 수요 및 공급이 증가하고 정찰, 감시, 택배등의 새로운 산업이 각광받고 있다. 이에 따라 무인비행체의 관련된 많은 기술들이 개발되는 실정이며 그 중에서도 가장 복잡하지 않은 형태인 쿼드로터 무인기가 많이 사용되고 있다. 이 무인기를 사용하여 도심지에서 택배 운송 혹은 정찰 등에 용이하게 쓰기 위해 카메라를 이용한 비전 알고리즘, 출 도착 알고리즘, 그 외의 많은 신기술들이 사용되고 있으나 도심지의 무인 비행체 운용여건상 건물 사이를 흐르는 측풍 이나 전단류 등에 의하여 추락할 위험성이 높다. 따라서 본 논문에서는 그러한 위험성을 해석하기 위해, 쿼드로터형 무인비행체의 공력 특성을 반영한 6 자유도 해석의 프레임워크를 구축하였다. 돌풍 및 비행 조건들을 고려하기 위해 바람의 좌표계 변환 개념을 제시하였으며, 강체 블레이드 플래핑 운동방정식을 고려한 깃 요소 및 운동량 이론을 이용해 개별 로터의 제자리, 전진, 상승 비행을 해석하였다. 또한 XFOIL을 사용하여 공력 결과를 도출하였고 이를 전산유체역학 해석으로 검증하였다. 개발된 BEMT를 이용하여 제자리, 상승, 전진 비행 조건에 대해 검증을 수행하였다. 또한 목표 기체인 DJI Matrice 100의 블레이드의 삼차원 스캐닝을 수행하여 로터의 제자리 비행 특성을 비교 및 검증하였으며, 추가 풍동실험을 위해 실험장비를 설계하였다. 또한 DJI에서 제공하는 HILS 시스템의 동특성 파악과 파라미터 추정을 통해 블랙박스 형태인 비행 제어기의 게인을 추정 가능한 6 자유도 시뮬레이션을 구축하였다.Chpater 1 Introduction 1 1.1 Background and Motivation 1 1.2 Objectives and Thesis Overview 5 Chpater 2 Theoretical Background 6 2.1 Modified Blade Element Momentum Theory 6 2.1.1 Lift and Drag aerodynamic coefficient table 10 2.1.2 Frame Transformation 14 2.1.3 Aerodynamic Loads Calculation using Blade Element Momentum Theory 20 2.1.4 Blade Element Momentum Theory considering Rigid Blade Flapping 25 2.2 Hybrid Analysis between Blade Element Momentum Theory and Flight Dynamics 29 2.2.1 Quad-rotor Flight Dynamics 29 2.2.2 Coupled Quadrotor Dynamics with Blade Element Momentum Theory 33 2.3 System Identification and Parameter Estimation 35 Chpater 3 Results 41 3.1 XFOIL Verification 41 3.2 Blade Element Momentum Theory verification for hover, climb, and forward flight condition 45 3.3 Coupled Flight Dynamics Simulation Result 59 3.4 Experiment Setting and Result 63 3.4.1 Individual Rotor Thrust Test 63 3.4.2 Hardware Simulation in Loop and Experiment setting for Flight Test 68 Chpater 4 Conclusion and Future Works 78 4.1 Conclusion 78 4.2 Future Works 79 Reference 80 국문초록 84Maste

로터 간의 공기역학적 간섭을 고려한 실시간 다중로터 UAV 비행 시뮬레이션 개발

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 항공우주공학과, 2023. 8. 신상준.A multirotor unmanned aerial vehicle (UAV) has advantages such as ease of manufacture and control. Due to those advantages, UAV has been widely used in the civil and military field. Recently, as the demand for operating UAV in urban is increased, the major usage of UAV is changed from personal hobbies to commercial operations which are related to urban infrastructure. However, it is not straightforward to operate UAV in urban because of the risks such as instability of flight and crash accidents due to the gust. For quantifying those risks, it is important to predict the transient behavior of UAV accurately. Thus, this dissertation is focused on the development of a real-time multirotor UAV flight simulation that is capable of ensuring the accuracy of dynamic behavior. The following considerations will be applied in the present flight simulation to enhance its prediction accuracy. First, the rotor aerodynamic analysis will be proposed to predict the aerodynamic loads of the rotor. The dynamic inflow approach and and rigid blade flapping will be considered in this rotor anaylsis. However, since the dynamic inflow approach was developed only for a single rotor, a novel formulation that is efficient and simple will be derived to evaluate the aerodynamic interference among the rotors. Then, the flight dynamics and the proposed rotor aerodynamics will be integrated for establishing the relevant flight simulation. Several constraints such as the rotational speed of the rotor and fuselage tilting angle limitation which are obtained by the trim anaylsis will be applied to the present flight simulation. Furthermore, a straightforward approach to estimate an unidentified gust will be developed and implemented for the present simulation. The verification procedure for the present flight simulation will be performed step by step. The results obtained by the present rotor aerodynamics will be compared and validated by the experimental result and high-fidelity analysis for both an isolated rotor and multirotor configurations. Then, the components such as the controller, and dynamic characteristics will be evaluated. Based on this, the proposed flight simulation will be compared against the flight test. Particulary, the gust experiment which corresponds to the urban environment will be used to evaluate the present simulation. Further, the influence of the rigid blade flapping, aerodynamic interference, and gust intensity will be investigated and analyzed. It is found that a suitable rotor aerodynamic analysis is an important consideration to estimate the transient behavior of UAV.다중로터 무인항공기(UAV)는 제조 및 제어가 용이하다는 장점이 있다. 이러한 장점들로 인해, 무인 항공기는 민간 및 군사 분야에서 널리 사용되어 왔다. 최근, 도시에서의 무인 항공기 운영에 대한 수요가 증가함에 따라 무인 항공기의 주요 용도가 개인 취미에서 도시 인프라와 관련된 상업적 운영으로 변경되고 있다. 그러나 돌풍으로 인한 비행 불안정, 추락 사고 등의 위험 때문에 도심에서 무인 항공기를 운용하는 것은 쉽지 않다. 돌풍과 관련된 위험을 정량화하기 위해 UAV의 동적 거동을 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 따라서, 본 논문은 동적 거동의 정확성을 보장할 수 있는 다중로터 무인 항공기 비행 시뮬레이션 개발을 목표로 한다. 예측 정확도를 높이기 위해 다음과 같은 사항들을 본 비행 시뮬레이션에 적용하였다. 첫번째로, 로터의 공기역학 하중을 도출하기 위해 적용이 용이한 로터 해석 기법을 제시하였다. 이 로터 분석에서는 동적 유입류 기법과 강성 블레이드 플랩핑이 고려되었다. 그러나 기존의 동적 유입류 기법은 단일 로터에 대해서만 개발되었기 때문에 로터 간의 공기역학적 간섭을 고려하기 위해 효율적이며 간략화된 새로운 방식의 정식화를 유도하였다. 그런 다음 비행 역학과 제안된 로터 공기 역학을 결합하여 비행 시뮬레이션을 구축한다. 트림 분석을 통해 얻은 로터의 회전 속도 및 동체 틸팅 각도 제한과 같은 몇 가지 제약 조건이 현재 비행 시뮬레이션에 적용된다. 또한, 현재 시뮬레이션을 위해 식별되지 않은 돌풍을 추정하는 간단한 접근법을 개발 및 적용하였다. 현재 비행 시뮬레이션에 대한 검증 절차는 단계별로 수행된다. 현재 로터 공기역학에서 얻은 결과는 단일 로터와 다중 로터 구성에 대한 실험 결과와 고충실도 분석를 이용하여 비교 및 검증이 수행된다. 그런 이후, 제어기 및 동적 특성과 같은 구성 요소에 대한 검증이 수행된다. 해당 검증을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 제안된 비행 시뮬레이션이 비행 실험 결과와 비교된다. 특히, 도심 환경을 모사한 돌풍 실험은 현재 시뮬레이션을의 정확성을 평가하는 데 사용하였다. 또한 강체 블레이드 플랩핑, 공기역학적 간섭, 그리고 돌풍 강도에 대한 영향들이 조사 및 분석되었다. 이를 통해 무인 항공기의 동적 거동을 추정하기 위해 적합한 로터 공기역학 해석기법이 중요한 고려사항임을 확인하였다.Abstract i Contents iii List of Figures vi List of Tables x 1 Introduction 1 1.1 Background and Motivation 1 1.2 Literature Review 3 1.2.1 Investigation for a rotor aerodynamics 3 1.2.2 Aerodynamic interference among the rotors 5 1.2.3 Flight dynamics with the rotor aerodynamcis 9 1.3 Objectives and Scopes 12 1.4 Outline of Dissertation 14 2 Rotor Aerodynamic Analysis considering Aerodynamic Interference 16 2.1 Formulation for an isolated rotor 16 2.1.1 Brief investigation of BEMT 16 2.1.2 Enhancement for the rotor aerodynamic analysis 20 2.2 Extened formulation for the aerodynamic interference among the rotors 27 2.2.1 Existing analytical approaches using the simple vortex theory 27 2.2.2 Aerodynamic interference based on the dynamic vortex tube 29 3 Establishment for the Multirotor UAV Flight Simulation 44 3.1 Mathmatical description of the flight dynamics 44 3.1.1 limitation of the conventional UAV flight simulation 44 3.1.2 Flight dynamics combined with the present rotor aerodynamics 46 3.2 Definition of the Control Law and Gust Estimation 55 3.2.1 Control law 55 3.2.2Gust estimation 56 4 Verification for the Rotor Aerodynamics 61 4.1 Results for an isolated rotor aerodynamics 61 4.1.1Predictions of the force, moment, and drag 61 4.1.2Effect of the rigid blade flapping on forward flight 68 4.2 Results for the aerodynamic interference among the rotors 74 4.2.1 Evaluation of the analytical formulation 74 4.2.2 Further numerical results 81 4.2.3 Further investigation of the aerodynamic interference for a multirotor UAV 100 5 Verification of the Multirotor UAV Flight Simulation 112 5.1 Introduction of the verification procedure 112 5.2 Validation of modules in flight simulation 115 5.2.1 Specification of the UAV 115 5.2.2 Validation for the aerodynamics of the target rotor 118 5.2.3 Verification of the dynamic characteristics of the target UAV based on system identification 122 5.2.4 Estimation of the fuselage aerodynamics 130 5.3 Present simulation results 132 5.3.1 Trim analysis result 132 5.3.2 Validation of the present simulation 138 5.4V alidation of the gust experiment 147 5.4.1 Description of the gust experiment 147 5.4.2 Validation of the proposed gust estimation 151 5.4.3Comparison between the proposed simulation and flight test 158 5.5 Further investigation of the present flight simulation 165 5.5.1 Effect of the rigid blade flapping and aerodynamic interference among the rotors 165 5.5.2 Investigation of the transient behavior due to gust while increased intensity 172 6 Conclusion 184 Reference 188 Appendix 207 초록 213박

파터 팽대부 암종의 선종-선암종 진행에서 E-cadherin, β-catenin 발현과 유전자 불안정성 및 대립 유전자 소실 분석

Thesis (doctoral)--서울대학교 대학원 :의학과 병리학전공,2000.Docto

Progression of genetic alterations in ampulla of vater carcinoma

Thesis (master`s)--:서울대학교 대학원 :의학과 병리학전공,1998.Maste

Early detection of cutaneous radiation injury using optical imaging techniques

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