uav design 25kg category

22
AURORA INTEGRATED SYSTEMS PVT. LTD. Preliminary design Report MALE UAV IITK Brief Introduction to first concept of design Vineet singh 3/25/2014

Upload: prateek-jain

Post on 21-Jul-2016

36 views

Category:

Documents


9 download

DESCRIPTION

Basic design methodology for long rance UAV.

TRANSCRIPT

Page 1: UAV Design 25kg category

AURORA INTEGRATED SYSTEMS PVT. LTD. 

Preliminary design Report MALE UAV IITK 

Brief Introduction to first concept of design  

Vineet singh 

3/25/2014 

 

 

 

   

 

Page 2: UAV Design 25kg category

1  Mission Requirement ...................................................................................................................... 2 

2  Weight Estimation and Wing loading ............................................................................................. 3 

2.1  Wing loading Diagrams ........................................................................................................... 4 

2.1.1  Stall speed ....................................................................................................................... 4 

2.1.1.1  Clean wing at diff altitude ........................................................................................... 4 

2.1.1.2  Flaps deployed ............................................................................................................ 5 

2.1.2  Cruise Speed .................................................................................................................... 6 

3  Power Estimation ............................................................................................................................ 9 

3.1  Engine Specifications3W‐28iCs ............................................................................................. 10 

4  Aircraft final design including control surface sizing .................................................................... 12 

4.1  Aircraft geometry .................................................................................................................. 12 

4.2  Airfoil selection ..................................................................................................................... 13 

4.2.1  Xfoil analysis of SD 7037 ............................................................................................... 13 

4.3  Wing analysis ........................................................................................................................ 14 

4.3.1  Stability Coefficients for two different Cg location including trim analysis .................. 15 

4.4  Final design ........................................................................................................................... 17 

5  Controls Architecture .................................................................................................................... 19 

5.1.1.2  Limits ......................................................................................................................... 21 

5.1.1.3  Lateral controller ....................................................................................................... 21 

5.1.1.4  Longitudinal controller .............................................................................................. 21 

   

Page 3: UAV Design 25kg category

 

1 Mission Requirement A medium altitude  long endurance  (MALE) UAV  is  required  to be developed which  should  satisfy 

following criteria: 

1. Maximum take‐off Weight: < 25 kg 

2. Payload capacity: > 3 kg with option of 5 kg in place of lesser fuel 

3. Take off length: < 100 m on concrete runway with option for 50 m 

4. Climb rate: > 2.5 m/s at MSL 

5. Operational altitude: 1500 m Above Ground Level ( from take‐off point) 

6. Endurance: > 4 hrs. 

7. Range: > 50 km ( 100 km optional with heavier communication system) 

8. Engine: 2 stroke gasoline based  Internal combustion engine, should have option  for heavy 

fuel (JP5 or JP8) for increasing endurance 

9. Maximum take‐off altitude: > 5500 m ~ 18000 ft. 

10. Landing: run way landing with option for net arrested landing in future 

Mission constraints: 

1. The UAV should be able to disassemble and carried in a cases of size 5 ft. by 3 ft. by 2 ft. 

2. The CG should not vary beyond 5 % with fuel 

3. The endurance should be demonstrated at take‐off from Mean sea level, climb 1500 m and 

go to range of 50 km and come back and land. 

4. After full endurance mission, there should be reserve fuel of more than 1 ltr 

5. The engine is limited to internal combustion gasoline based propeller driven 

6. Landing gear is not retractable 

7. The avionics power  is  to be  supplied by on board  generator but  there  is  lithium polymer 

battery  to  power  the  avionics  in  case  for  generator  failure  for  up  to  1  hour  with  total 

avionics power being 50 Watts 

8. Sufficient air  scoops are  to be provided  for engine  cooling as engine  is assumed  to be air 

cooled. 

9. The  UAV  should  be  able  to  perform  the mission  in  up  to  30  kts  (  56  kmph/~  15 m/s) 

continuous average wind. 

10. For landing trailing edge flaps can be deployed to decrease the touchdown airspeed and no other high lift mechanisms are to be tried out. 

 

Page 4: UAV Design 25kg category

 

2 Weight Estimation and Wing loading The weight estimation and wing  loading go hand  in hand and often  require  iterations  to arrive at 

required number. The structural weight is dependent on the wetted area and that is dependent on 

the components and weight of the airframe. The key parameter  is wing  loading which decides the 

design  point  and  other  performance  parameters. Once  an  estimate  of weight  is made,  the wing 

loading  can  be  used  to  predict  area  of  the wing, which  in  turn  is  used  to  predict  the  structural 

weight. This process is repeated till converged to a particular value. 

The final weight including the weight of the components is shown below: 

Table 2‐1 

Components Wts (Kgs) Incremental Wt

Fuselage 3.5 3.5

Stru

ctures

Wing 2.500 6 Empennage 1.6 7.6 Rear Landing Gear 0 7.6

Nose Landing Gear 0 7.6 Camera 1.5 9.1

Payload/ AP Avionics 0.25 9.35 Video Storage 0.25 9.6 9.6

Battery 1.5 1.5

Po

wer S

ystem

Engine + Accessories 2.5 4 Fuel Tank 0.3 4.3 Fuel Weight 5.6 9.9 Starter 0 9.9 Alternator 0 9.9 Power Cicuitry 0.2 10.1

Pump 0 10.1 Propeller 0.15 10.25

19.85

Modem 0.07 0.07

Co

mm

un

icatio

n S

ystems

Antennae (Comm) 0.03 0.1 Antennae(Video) 0.03 0.13 Antennae(Iridium) 0 0.13

GPS (1) 0.03 0.16 wires 0.5 0.66

20.51

Fuselage Tailboom joint 0.05 0

Misc. S

tructu

res

Gimbal Mount 0.25 0.25 Wing Joint 0.05 0.3 Nose shock absorber 0.05 0.35 Rear shock Absorber 0.05 0.4

Motor Mount Bulkhea 0.05 0.45 Servo (Flap1 & 2) 0.1 0.55

Actua

tion

Page 5: UAV Design 25kg category

Servos(Aileron L &R) 0.1 0.65 Servo (Elevator) 0.05 0.7 Servo (Rudder) 0.05 0.75

Servo (Engine) 0.04 0.79

Video Transmitter 0.1 0.89 Unaccounted Wt Total TOGW 21.4 Total Empty Weight 15.8  

 

2.1 Wing loading Diagrams 

2.1.1 Stall speed 

2.1.1.1 Clean wing at diff altitude 

It is assumed that the clean wing has CLMAX = 1.0. 

For this value of CLMAX, the wing  loading required for different stall speeds an altitude  is obtained. 

Wing loading is targeted so as to have stall speed of around 17 m/s at MSL. This would mean that at 

the time of of  landing, the touchdown speed can be ~ 21 m/s at MSL. Higher  landing speed would 

mean higher loads on structures.  

Moreover, the requirement of operations from high altitude at 5000m requires the stall speed to be 

much higher. Hence, it should be noted that trailing edge flaps are required for landing and take off. 

Structures, 7.92, 39%

Comm. Systems & Others, 0.87, 4%

Avionics, 0.12, 1%

Payload, 1.63, 8%

Propulsion system and power, 9.7, 48%

Weight Distribution

Structures Comm. Systems & Others Avionics Payload Propulsion system and power

Page 6: UAV Design 25kg category

 

2.1.1.2 Flaps deployed  

CLMax = 1.4 using flaps deployed. Hence, the flaps should be sized such that CLMAX = 1.4 is achievable. 

 

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

325

350

375

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

W/S

(N

/m^

2)

Altitude (Meters)

W/S @ Diff. Stall Speeds & Altitude

W/S @ Vs = 17 m/sec. W/S @ Vs = 18 m/sec. W/S @ Vs = 19 m/sec.

W/S @ Vs = 20 m/sec. W/S @ Vs = 21 m/sec. W/S @ Vs = 22m/sec.

W/S @ Vs = 23 m/sec. W/S @ Vs = 24 m/sec. W/S Chosen

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

275

300

325

350

375

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

W/S

(N

/m^

2)

Altitude (Meters)

W/S @ Diff. Stall Speeds & Altitude

W/S @ Vs = 17 m/sec. W/S @ Vs = 18 m/sec. W/S @ Vs = 19 m/sec.

W/S @ Vs = 20 m/sec. W/S @ Vs = 21 m/sec. W/S @ Vs = 22m/sec.

W/S @ Vs = 23 m/sec. W/S @ Vs = 24 m/sec. W/S Chosen

Page 7: UAV Design 25kg category

2.1.2 Cruise Speed For  different  cruise  speed  and  aspect  ratio,  the  optimum  wing  loading  is  plotted  for  different 

altitude. For reference the selected wing loading is also shown for three different aspect ratios. 

 

160180200220240260280300320340360380400420440460480500520540560580600620

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

W/S

(N

/ sq

. m

eter

s)

Altitude (Meters)

Wing Loading Vs Altitude for Diff. Cruise Velocities for AR = 12

W/S: Vc = 20 W/S: Vc = 21 W/S: Vc = 22 W/S: Vc = 23 W/S: Vc = 24

W/S: Vc = 25 W/S: Vc = 26 W/S: Vc = 27 W/S: Vc = 28 W/S Chosen

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

420

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

W/S

(N

/ sq

. m

eter

s)

Altitude (Meters)

Wing Loading Vs Altitude for Diff. Cruise Velocities for AR = 9 for best CLcruise

W/S: Vc = 20 W/S: Vc = 21 W/S: Vc = 22 W/S: Vc = 23 W/S: Vc = 24

W/S: Vc = 25 W/S: Vc = 26 W/S: Vc = 27 W/S: Vc = 28 W/S Chosen

Page 8: UAV Design 25kg category

 

 

The worthwhile thing to note  in the above graphs  is that the most optimal cruise speed  is close to 

the stall speed as the most optimal Cruise lift coefficient is also very high. 

Moreover, the optimal CLCruise becomes closer and closer to CLMAX as aspect ratio  is  increased. This 

can  be  found  in  the  case  of Aspect  ratio  12  and  15  compared  to  aspect  ratio  of  9  in  the  above 

graphs. 

As we have seen earlier, since  the stall speed  is close  to 20 m/s  for clean wing. The Cruise speed 

should be at  least 25 m/s  so  that any disturbances due  to gust and  instantaneous changes  in  the 

airspeed do not lead to stall.  It is therefore required to look at the carpet diagram of power loading 

v/s wing loading for different aspect ratio. This should give an idea of the required thrust for cruise 

condition as the aspect ratio is varied. This acts as a decision point for aspect ratio. The aspect ratio 

should be chosen so as to be not very high as it also leads to structural difficulties. Neither should it 

be so low so that it causes undue induced drag leading to decreased endurance. 

 

180200220240260280300320340360380400420440460480500520540560580600620640660680700

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

W/S

(N

/ sq

. m

eter

s)

Altitude (Meters)

Wing Loading Vs Altitude for Diff. Cruise Velocities for AR = 15

W/S: Vc = 24 W/S: Vc = 25 W/S: Vc = 26 W/S: Vc = 27 W/S: Vc = 28

W/S: Vc = 29 W/S: Vc = 30 W/S: Vc = 31 W/S: Vc = 32 W/S Chosen

Page 9: UAV Design 25kg category

 

For Aspect ratio of 9, T/W required for cruise is 0.073. For aspect ratio of 12, T/W required is 0.063 

and for 15, T/W is 0.056. As the aspect ratio is increased, although the best cruise speed is lower, the 

Thrust by weight becomes lower. A thrust by weight of 0.06 should be good enough for the required 

mission. Therefore, aspect ratio should be close to around 13.5.  

One of the constraints of the mission  is that the whole aircraft should be modular and carried  in a 

case and carried in cases of size 5ft by 3 ft by 2ft. This means the longest length which is wing section 

should be less than 4 ft (giving half feet for the shock absorbing foam on each side).  

It is intended that the wing be made in three pieces, whereby, each piece is less than 1.2 m.  

Based on  the constraint and  the design  insight gathered  from  the plots  for cruise speed,  the wing 

span was chosen to be 3.3 m which can be broken down to 1.1 m three wing planform. This gives an 

aspect ratio of 13.7 with chosen wing area of 0.8 m2. 

   

0

0.05

0.1

195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360 375 390 405 420 435 450 465 480 495 510 525 540

T/W

W/S (Newton/Square Meter)

Power Loading Vs Wing Loading for Diff. AR at Different Cruise Speeds at best CLcruise

AR = 9 AR = 12 AR = 15 V = 20 : Se alevel

V = 21: Sea Level V = 22: Sea Level V = 23: Sea Level V = 24: Sea Level

V = 25: Sea Level V = 26: Sea Level W/S Chosen

Page 10: UAV Design 25kg category

3 Power Estimation The propulsion unit is required to be 2 stroke internal combustion gasoline based propeller driven 

engine. The constraint of using gasoline based engine is to ensure that the fuel is readily available. 

Also, two stroke engine produce higher power compared to four stroke engine and and are easily 

available. To estimate the power required a table is made for estimating the climb rate for the given 

weight of 20.5 kg and Cd0 assumed to 0.03 which is on the higher side. An important factor is the 

propeller efficiency. A basic propeller curve shows that propeller efficiency is dependent on the 

incoming air speed, rotational speed of the propeller and diameter of the propeller. Efficiency, as 

high as 0.76, is predicted by blade element theory. However, as the worst case scenario, the 

maximum propeller efficiency is assumed to 0.66. For achieving climbr ate of 4.5 m/s, the power 

required at the engine shaft is back calculated using the propeller efficiency for different aspect 

ratio. 

The power input above is taken to be 2647 watts which is 3.55 horsepower.  

This is available from a 28 cc 3W engine. 3W engines are the most widely used highly reliable engine 

from Germany.  The  power  required  shows  that  even  for worst  case  scenario  of  lesser  propeller 

efficiency a  climb  rate of 4.5 m/s  is easily achievable.  In  fact,  climb  rate as high as 6 m/s  can be 

achieved. This excess power  is especially valuable for operating at higher altitude where the cruise 

speed, take off speed as well as the landing speed increases to about 1.5 times.  

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

20 24 28 32 36 40

Po

wer

(W

atts

)

Velocity (m/sec.)

Power Requirements for Target Climb Rate 4.5 m/sec. @ 1-g load, at W = 20.5 Kg

Pout Req.: 20.5 Kg, AR = 9 Pin Req.: 20.5 Kg, AR = 9 Pout Req.: 20.5 Kg, AR = 12

Pin Req.:20.5 Kg, AR = 12 Pout Req.: 20.5 Kg, AR = 15 Pin Req.: 20.5 Kg, AR = 15

Power Input: 2647 Watts

Page 11: UAV Design 25kg category

It is recommended that the next higher engine 3W 55i CS should also be kept as back up for theflight 

trials in case the weight due to payload becomes more. 

3.1 Engine Specifications3W‐28iCs 

 

Techn. specifications 

Cylinder capacity  1.74 cu in 

Power  3.55 HP 

Power Rating  2.64 KW 

Speed range  1500 ‐ 8500 rpm 

Oil / Gasoline Ratio  1 : 50 / 2% Mix 

IIS ‐ Ignition  6 ‐ 8,4 V 

Propeller 2‐bladed  16x10;18x8;18x10;20x8 

Propeller 3‐bladed  16x8;16x10 

 

3W‐55 XiCS 

 

Page 12: UAV Design 25kg category

Techn. specifications 

Power  5.9 HP 

Power Rating  4.399 KW 

Speed range  1300 ‐ 8500 rpm 

Oil / Gasoline Ratio  1:50 / 2% Mix 

IIS ‐ Ignition  6 ‐ 8,4 V 

Propeller 2‐bladed  22x8; 22x10; 22x12; 24x8 

Propeller 3‐bladed  19x12; 20x8; 20x10; 22x8 

 

Apart from the engine itself, there are other accessories like intake manifold, exhaust manifold and 

muffler and throttle actuator required to run the engine.  

Different propellers can be mounted to vary the final output power. Tests need to be carried out to 

validate the best propeller that should be used which provides the best fuel efficiency and sufficient 

static thrust to have short take off. 

   

Page 13: UAV Design 25kg category

4  Aircraft final design including control surface sizing 

4.1 Aircraft geometry 

               

Page 14: UAV Design 25kg category

The wing is divided into three sections with each section being 1100 mm long. The wing shape is 

taken to be close to semi‐elliptical to have maximum aerodynamic efficiency. The downside is that 

such wing requires precise manufacturing of the mould. 

Two design variants are sought, one using inverted V‐Tail and the other inverted U tail. The inverted 

V‐tail has the advantage of saving weight and having proverse roll‐yaw coupling . However, it also 

requires precise fabrication of the molds for alignment and also leads to coupling in elevator and 

rudder if the control surface movement is not symmetric. 

4.2 Airfoil selection Many different airfoil were studied for selection. Among the low Reynolds number airfoil, sd7037 

was found to be the best suited. It should also be known that sd7037 has been widely used on many 

UAVs and also on different models and tested in wind tunnel by different labs extensively. 

4.2.1 Xfoil analysis of SD 7037   

 

 

Green  colour  in  following plot  is  for Reynolds number 200,000. Magenta  is  for Reynolds number 

500,000 

 

 

Page 15: UAV Design 25kg category

 

 

4.3 Wing analysis  

Wing span : 3.3m 

Wing Area : 0.79m 

MAC : 0.24m 

Root Chord Length : 0.30m 

Tail span : 1m 

Fuselage length : 1.2m 

Tail arm length (from leading edge of wing root to tail root) : 1m 

Vertical tail height : 0.5m 

Page 16: UAV Design 25kg category

Wing Airfoil : SD 7037 

Tail airfoil : NACA 0012 

 

4.3.1 Stability Coefficients for two different Cg location including trim analysis  

Neutral point : 0.235m from leading edge of root chord 

Cruise velocity : 24m/s 

Takeoff weight : 21kg 

Cruise CL : 0.7 

 

Case 1 : CG at 0.15m from leading edge of root chord 

Case 2 : CG at 0.19m from leading edge of root chord 

Case 1  Case 2 

 

Page 17: UAV Design 25kg category
Page 18: UAV Design 25kg category

 

Other important coefficients are 

CL_alfa : 6.2 

Cl_aileron: 0.45 

Cn_aileron : 0.045 

Cl_rudder : 0.0045 

Cn_rudder : 0.2 

CL_flap : 0.91 

CM_flap : 0.98 

Cl_beta : ‐0.035 

Cl_p : ‐0.6 

Cl_r : 0.2 

Cn_r : ‐0.2 

Cn_p : ‐0.12 

 

4.4 Final design  It is recommended that CG be kept at 190 mm from the leading edge of the wing (case 2 above). This 

leads to zero trim elevator deflection at around 4 degree angle of attack which corresponds to CL= 

0.7, corresponding to cruise speed of 24 m/s at MSL. 

The choice of CG is important as this leads to the trim elevator which should be close to zero to have 

minimum trim drag.  

The wing is not given any dihedral and spiral is left slightly unstable. A measurement of spiral 

stability is the ratio of Cl_beta*Cn_r and Cn_beta*Cl_r. If this is less than 1, spiral is unstable and if it 

is more than one spiral is stable. Typically, spiral is left unstable for the aircrafts as it is slow mode 

and the pilot can intuitively correct for slight disturbance.  

Page 19: UAV Design 25kg category

Dutch rill on the other hand is a competing mode. This mode tends to become unstable if spiral is 

made stable and vice‐versa. The dutch roll is dependent on the vertical tail volume and the dihedral 

angle of the wing. In the current design, the vertical tail volume is kept high so as to have stable 

dutch roll. A stable dutch roll is required, especially, during landing at low speeds.  

Flaps and Aileron are sized so as to have control surface derivatives closely equal to the general 

acrobatic aero models. This can lead to a bit of sensitive controls for manual mode. 

   

Page 20: UAV Design 25kg category

5 Controls Architecture AVES autopilot is intended to be used for final integration. AVES autopilot is provides generic PId 

control architecture with different gains and limits which can be configured for the aircraft. The 

gains are required to be tuned for the particular aircraft to achieve the best performance. The AVES 

Ground Control Station also supports the gain tuning interface which provides the capability to give 

step commands to desirec variable and see the response and accordingly change the gains of the 

selected control loop. 

The controls are divided mainly in lateral controls which can be configured for aileron and rudder/ 

aileron only/ rudder only models and the two longitudinal controls elevator and throttle. User 

should note than no separate control structure is required for v‐tail or inverted v‐tail or a model with 

elevons. That has to be done in servo configuration explained later on in the manual. 

Each control loop has UAV parameters, switches and the PID blocks. The PID blocks are not strictly 

simple traditional PID logic. In various places the control uses aircraft geometry and aerodynamic 

parameters inside the PID blocks. 

Please go through the gain tuning manual for understanding the methodlogy of tuning the control 

gains and the aircraft parameters which also includes trims and limits.  

5.1.1.1.1.1.1 Lateral control: Aileron/Rudder 

 

Figure 1: Aileron/Rudder Control loop 

Aileron  control  is meant  for  the bank  angle  control of  the UAV.    The  commanded  roll  can  come 

either from heading to roll block which  is enabled  in navigation phase of autopilot or directly from 

the  loiter phase.   If  it  is rudder only model, the control  loop adds the yaw rate feedback to aileron 

output and thus, rudder servo should be connected to the aileron output of autopilot. If it is aileron 

only model, the rudder should be left disconnected. 

Page 21: UAV Design 25kg category

5.1.1.1.1.1.2 Longitudinal control: elevator 

 

Figure 2: Elevator control loop 

Elevator  can  be  controlled  through  altitude  or  air  speed.  Depending  on  the  altitude  window 

configured  in aircraft trims  in configurator, the control  is either  in altitude to pitch or air speed to 

pitch.  It  should  be  understood  that  both  air  speed  and  altitude  cannot  command  desired  pitch 

simultaneously. The desired pitch is controlled through pitch to elevator PID block. 

5.1.1.1.1.1.3 Longitudinal control: throttle 

 

Figure 3: Throttle  control loop 

Throttle  can  be  controlled  through  altitude  or  air  speed.  Depending  on  the  altitude  window 

configured in aircraft trims in configurator, the control is either in altitude to throttle or air speed to 

throttle. It should be understood that both air speed and altitude cannot command desired throttle 

simultaneously. The desired throttle is passed through throttle slew rate to give final throttle. 

Page 22: UAV Design 25kg category

5.1.1.2 Limits 

Each control  inner or outer control  loop  in Aves control structure has saturation  limits  to prevent 

overmovement  of  the  servos  or  superfluous  commands  to  be  generated.  These  limits  are  very 

important for the controller and the controller is designed so as to not exceed any of the limits. The 

default values of these limits should be used. If improvement in performance is desired, some of the 

relevant limits can be altered. 

5.1.1.3 Lateral controller Table 2: Lateral Controller Limits 

S. no.  Parameter  Meaning 

1  Max Cmd Roll  Maximum Commanded roll angle from heading to roll controller 

2  Min Cmd Roll  Minimum Commanded roll angle from heading to roll controller, should be negative 

3  Max Roll Error  Maximum commanded roll rate from roll angle hold controller 

4  Min Roll Error  Minimum commanded roll rate from roll angle hold controller. Should be negative 

5  Max Aileron  Maximum commanded aileron from roll controller 

6  Min Aileron  Minimum commanded aileron from roll controller 

7  Pitch saturation  Value of tangent of pitch veyond qhich pitch effects should not be taken in the roll controller. Should be kept at default value. 

8  Min Pdyn  Minimum dynamic pressure that can be achieved by the aircraft. This value should be set to half the value of air density (1.2125 kg/m^3) times the square of minimum air speed. 

9  Max Rudder  Maximum rudder commanded from yaw rate damping. 

10  Min Rudder  Minimum rudder commanded form yaw rate damping, should be negative. 

 

5.1.1.4 Longitudinal controller Table 3: Longitudinal controller Limits 

S. no.  Parameter  Meaning 

1  Max Cmd Pitch  Maximum Commanded pitch from altitude or air speed. 

2  Min Cmd Pitch  Minimum commanded pitch form altitude or air speed, should be negative. 

3  Max elevator  Maximum elevator commanded through pitch control. 

4  Min elevator  Minimum elevator commanded through pitch control. 

5  Max throttle  Maximum commanded throttle form throttle control. 

6  Min throttle  Minimum commanded throttle form throttle control.