Ontwerp en bouw van een onbemand vliegtuig voor autonoom pakkettransport met gecontroleerde transitie van verticaal opstijgen naar voorwaartse vlucht.

Cyriel Notteboom Menno Hochstenbach Menno Hochstenbach
Vlaamse drone levert pakjes sneller dan klassieke droneOnbemande vliegtuigjes of drones die een expres-bestelling afleveren in je achtertuin of instaan voor bloedtransport tussen ziekenhuizen. Er is nog een lange weg af te leggen op zowel wettelijk als technisch vlak voor drones volledig autonoom door de lucht zullen vliegen, maar de eerste steen is alvast gelegd. Grote bedrijven zoals Amazon en Google zijn al een tijd aan het experimenteren en ook de VertiKUL van de KU Leuven levert zijn bijdrage.Pakkettransport gaat steeds sneller.

Ontwerp en bouw van een onbemand vliegtuig voor autonoom pakkettransport met gecontroleerde transitie van verticaal opstijgen naar voorwaartse vlucht.

Vlaamse drone levert pakjes sneller dan klassieke drone

Onbemande vliegtuigjes of drones die een expres-bestelling afleveren in je achtertuin of instaan voor bloedtransport tussen ziekenhuizen. Er is nog een lange weg af te leggen op zowel wettelijk als technisch vlak voor drones volledig autonoom door de lucht zullen vliegen, maar de eerste steen is alvast gelegd. Grote bedrijven zoals Amazon en Google zijn al een tijd aan het experimenteren en ook de VertiKUL van de KU Leuven levert zijn bijdrage.

Pakkettransport gaat steeds sneller. Anderhalve eeuw geleden duurde een zending te paard zoals bij de Amerikaanse Pony Express enkele weken, later ontstonden koerierdiensten zoals FedEx en DHL die pakkettransport over heel de wereld in enkele dagen mogelijk maakten. Dat werkte de globalisering in de hand en veranderde de maatschappij enorm. Wat zou er gebeuren als de leveringstermijn nog een grootteorde verkleinde, en leveringen nog dezelfde dag aankwamen?

Innovatieve drone

De masterproef van Cyriel Notteboom en Menno Hochstenbach had als doelstelling een drone geschikt voor pakkettransport te ontwerpen en te bouwen. Het bereik moest zo groot mogelijk zijn en de drone moest verticaal kunnen opstijgen en landen (Vertical Take-Off and Landing of VTOL) om op moeilijke plaatsen te kunnen landen. Na een jaar voerde de VertiKUL zijn eerste testvlucht uit. Hij vertrekt met een opgeladen batterij en een pakketje van 1 kilogram in de romp. Aan de hand van een GPS-signaal vliegt het naar zijn bestemming die tot 30 kilometer verderop kan liggen. Eenmaal op locatie maakt het een nauwkeurige landing.

“De VertiKUL stijgt op als een helikopter en vliegt als een vliegtuig.”

Een helikopter kan verticaal opstijgen en landen, ter plekke blijven hangen in de lucht – ook wel hoveren genoemd – en vereist geen landingsbaan. Een vliegtuig vliegt snel en efficiënt met vleugels en heeft daarom een groot bereik. Het grootste verschil is dat bij een helikopter de stuwkracht naar boven en bij een vliegtuig naar voren is gericht. Om deze eigenschappen te combineren tot een hybride vliegtuig kan men de stuwkracht kantelen door ofwel een kantelmechanisme te gebruiken ofwel door het vliegtuig in zijn geheel te laten kantelen zoals bij staartlanders (eng: tail-sitters). Beide manieren werden al in de bemande luchtvaart toegepast (respectievelijk V-22 Osprey en Lockheed XFV), maar hadden enkele tekortkomingen. Een kantelmechanisme is mechanisch zeer complex en vereist bijgevolg veel onderhoud. Als anderszijds het vliegtuig in zijn geheel kantelt ervaart de piloot moeilijkheden tijdens het hoveren vanwege de verticale oriëntatie.

Dit laatste vormt bij onbemande vliegtuigen geen probleem,  waardoor een staartlander de beste keuze is voor de beoogde toepassing. De VertiKUL is niet het eerste onbemande hybride vliegtuig, maar heeft toch een opmerkelijke eigenschap. Sturen en controleren doet de VertiKUL enkel met zijn vier propellers en niet met stuurvlakken zoals rolroeren. Dit vereist minder actuatoren wat mechanische complexiteit, gewicht, onderhoud en kost vermindert.

Hardware en software

De selectie en dimensionering van de hardware – batterijen, motoren,  propellers, spanwijdte, vleugelprofiel, …  – vereisen een geschikte methodiek. De onderlinge afhankelijkheid van deze ontwerpparameters zorgt er immers voor dat de keuze van elke component sterk bepaald wordt door de keuze van alle andere. Daarom werd een enumeratief optimalisatieprogramma geschreven. Dit programma combineert testdata van zowel vleugelprofielen als propellers en modellen voor alle andere componenten met elkaar op alle mogelijke manieren. Het computerprogramma kiest daarna de optimale oplossing uit de bekomen combinaties. Dit diende als startpunt voor de VertiKUL.

De romp bestaat uit een structuur van carbon buizen, lasergesneden multiplex-hout en piepschuim. De vleugels bestaan uit een piepschuim kern bekleed met dun balsahout. De bekomen sandwichstructuur is licht maar toch heel sterk. De VertiKUL werd afgewerkt met bespanfolie ter bescherming tegen de weersomstandigheden.

Alles wat aan de buitenkant van de VertiKUL te zien is, was echter maar de helft van het werk. Elke drone heeft namelijk een boordcomputer en sensoren aan boord, om continu te weten met welke snelheid en oriëntatie hij zich in de lucht bevindt en hoe hij hierop moet reageren. De software op de boordcomputer vertaalt de inputstroom van de sensoren en de gebruiker naar bruikbare commando’s voor de vier motoren. Als de VertiKUL uit koers geraakt door een windstoot, merkt hij dit en stuurt hij automatisch bij. Op die manier kan automatisch van a naar b gevlogen worden.

Omdat de software van zo’n autopiloot uit duizenden lijnen code bestaat, werd gebruik gemaakt van de open source software ArduCopter. Deze werd specifiek geschreven voor multicopters en kan dus enkel gebruikt worden om te  hoveren. De VertiKUL vlieg ook vooruit en dus moest de code aangepast en uitgebreid worden. Er kan op drie manieren gevlogen worden: volledig manueel , semi-automatisch waarbij met een schakelaar tussen helikopter- en vliegtuigmode gewisseld wordt en volledig automatisch waarbij een traject afgelegd wordt met behulp van een gps-signaal. De uiteindelijke code werd ArduVTOL gedoopt.

Toekomstige uitdagingen

Door zijn hybride configuratie verbruikt de VertiKUL tot de helft minder energie en vliegt hij ook tweemaal zo snel als klassieke drones. Er zijn echter niet alleen voordelen, want tijdens de landing speelt de wind parten door de grote vleugels. Dit probleem oplossen is prioritair voor het volgende prototype, dat onder alle weersomstandigheden moet kunnen vliegen.

Voor commerciëel gebruik mogelijk wordt, zijn er nog enkele andere technische uitdagingen  te overkomen zoals het ontwijken van obstakels en andere drones, rekening houden met weersomstandigheden, automatisch landen en omgaan met onverwachte scenario’s. Drones moeten m.a.w. veel slimmer worden, net zoals wagens met cruise control nog geen zelfrijdende wagens zijn. Daarnaast moeten  er nog flink wat wetsvoorstellen passeren voor je pizza automatisch op je tuintafel wordt bezorgd.

Bibliografie

[1] A. Noth, “Design of Solar Powered Airplanes for Continuous Flight,” Ph.D.dissertation, 2008. [2] “UIUC Propeller database,” http://aerospace.illinois.edu/m-selig/props/propDB.html. [3] M. Verbandt, “Visiegestuurd aanmeren van een quadrotor aan een grondstation.” [4] “PX4FMU,” http://pixhawk.org/modules/px4fmu. [5] “Pixhawk,” https://pixhawk.org/modules/pixhawk. [6] “PX4IO,” https://pixhawk.org/modules/px4io. [7] “AMP 2.6,” http://store.3drobotics.com/products/apm-2-6-kit-1. [8] “Arduino Mega 2560,” http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560. [9] “APM,” http://ardupilot.com/. [10] “PX4 Toolchain,” http://pixhawk.org/dev/toolchain_installation. [11] “Gatewing,” http://uas.trimble.com/. [12] “Belgische wetgeving onbemande luchtvaart,” http://www.beuas.be/index.php/nl/nieuws/105-aankomende-wetgeving-drones…. [13] “Pizza Dominos,” http://www.nbcnews.com/technology/dominos-domicopter-drone-can-deliver-…. [14] “Matternet,” http://matternet.us/. [15] “Amazon Prime Air,” http://www.nbcbayarea.com/news/tech/Amazon-30-Minute-Drone-Delivery-Bez…. [16] “DJI Phantom,” http://www.dji.com/product/phantom. [17] “Wingcopter,” http://www.wingcopter.com/. [18] “Quadshot,” http://transition-robotics.com/. [19] “Atmos TU Delft,” http://www.atmosuav.com/. [20] “UAVForge,” http://www.uavforge.net/. [21] “FireFLY6,” http://www.birdseyeview.aero/. [22] R. Stone and G. Clarke, “The T-wing: a VTOL UAV for defense and civilianapplications,” University of Sydney, 2001. [23] V. Hrishikeshavan and D. Bawek, “Development of Transition Control Metho-dology for a Quad Rotor-Biplane Micro Air Vehicle From Hover to ForwardFlight,” no. 1. [24] A. Oosedo, A. Konno, T. Matsumoto, K. Go, K. Masuko, and M. Uchiyama,“Design and Attitude Control of a Quad-Rotor Tail-Sitter Vertical Takeoff andLanding Unmanned Aerial Vehicle,” Advanced Robotics, vol. 26, no. 3-4, pp.307–326, Jan. 2012. [25] T. Smouter, “Autonomous Vertical Recovery of Fixed Wing Unmanned AerialVehicles,” 2013. [26] S. Bouabdallah, “Design and control of quadrotors with application to autono-mous flying,” Ph.D. dissertation, 2007. [27] “lithium zwavel,” http://techportal.eere.energy.gov/technology.do/techID=1141.[28] “batterij vergelijking,” http://www.brandbattery.com/wp-content/uploads/2012/05/energy-density.g…. [29] “batterij evolutie,” http://www.batteryuniversity.com/images/parttwo-55h.gif. [30] J. Gundlach, Designing Unmanned Aircraft Systems: A Comprehensive Ap-proach. Reston, Virigina: American Institute of Aeronautics & Astronautics,2013. [31] “Engineering Toolbox,” http://www.engineeringtoolbox.com/drag-coefficient-d_627.html. [32] S. F. Hoerner, “Fluid-Dynamic Drag,” p. 455, 1965. [33] “Xfoil,” http://web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/. [34] “APC Propeller database,” http://www.apcprop.com/v/downloads/PERFILES_WEB/datalist.asp. [35] H. Bruyninckx, Robot Kinematics and Dynamics, 2010. [36] R. Murray, Z. Li, and S. Sastry, A mathematical introduction to robotic manipu-lation, 1994, vol. 2005, no. February. [37] P. Castillo, R. Lozano, and A. E. Dzul, Modelling and control of mini-flyingmachines, 2006. [38] “Euler angels to Quaternion,” http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/6335-euler-angles-t…. [39] “Quaternion to Euler angles,” http://www.mathworks.nl/help/aeroblks/quaternionstorotationangles.html. [40] “Quaternion Multiplication,” http://www.mathworks.nl/help/aerotbx/ug/quatmultiply.html. [41] “Quaternion inverse,” http://www.mathworks.nl/help/aerotbx/ug/quatinv.html. [42] T. Durt and T. Delabie, “Design and Implementation of a Low-Cost SpacecraftAttitude Determination and Control System,” Ph.D. dissertation, K.U. Leuven,2010. [43] FAA, “Rotorcraft Flying Handbook,” 2000. [44] “User Manual for Eagle Multi (MTMK) Series ESCs with Si-monK Firmware,” http://www.robotshop.com/media/files/pdf/user-manual-maytech-esc-simonk…. [45] J. Roskam, Airplane design. Roskam Aviation and Engineering Corporation,1985. [46] T.P. Dreyer, Modelling with Ordinary Differential Equations. CRC Press, 1993. [47] “X-3D-BL Handleiding,” http://web.mit.edu/hchin/Public/2.017/2011/quadrotor/x3d_scientific_v30….

Universiteit of Hogeschool
Master in de ingenieurswetenschappen: werktuigkunde
Publicatiejaar
2014
Kernwoorden
Share this on: