A Contribution to the Design of Long Endurance Mini Unmanned Aerial Vehicles
Conception mini-drone longue endurance
Résumé
This thesis shows the feasibility of designing a long endurance mini UAV without resorting to large scale vehicles which requires additional infrastructure, complex launching systems and numerous operating crew. To do so is possible by using a global optimisation approach concentrated specifically on each aspect of the mini-UAV design with their particular challenges. So called Long Endurance Mini UAV Concept has to push the limits in several disciplines such as aerodynamics, propulsion, structures, energy source and storage, control and navigation, miniaturised electronics. A conceptual design program called Cdsgn is developed which takes into account each discipline's specific problems devoted to mini UAVs and making it possible to see the influence of each design parameter on the final performance of the complete design leading to the optimum selection of parameters. Cdsgn generates and analyse numerous aircraft configurations rapidly while simulating the performance of each configuration for a given mission profile. A post processing tool is also developed in order to interactively filter and select the final design parameters among numerous analysed aircraft configurations for practical applications. The proposed program is used in the development and design of several projects, such as Solar Storm, the world's first hybrid solar powered micro UAV in half a meter scale, SPOC, a long range mini UAV which is designed to fly across the Mediterranean sea from Nice to Corsica (Calvi) and finally the Eternity, the long endurance mini UAV concept which is an electrically powered, one-meter span aircraft with a conventional configuration having an endurance of four hours with the on-board batteries which can be enhanced up to eight hours with the use of solar-cells. Using the feedback of each project, Cdsgn has been improved both for the accuracy and for the operational performance in order to develop the smallest aerial vehicle for a given endurance mission.
L'objet de cette thèse est de démonter la faisabilité de conception d'un mini-drone longue endurance sans recourir à des véhicules de grande envergure qui nécessite des infrastructures supplémentaires, des systèmes de lancement complexes et un personnel d'exploitation important. Pour ce faire, une approche d'optimisation globale du problème a été utilisée, en s'appuyant sur les spécificités de chacun des aspects de la conception de mini-drones. Ce concept de mini-drone longue endurance doit repousser les limites dans plusieurs disciplines telles que l'aérodynamique, la propulsion, les structures, les sources d'énergies et le stockage, le contrôle et la navigation, ainsi que la miniaturisation de l'électronique embarquée. Un programme de conception baptisé Cdsgn a été développé et prend en compte les problèmes spécifiques de chaque discipline consacrées aux mini-drones. Il permet de voir l'influence de chaque paramètre de conception sur la performance finale de la conception, menant à la sélection optimale des paramètres. Cdsgn génère et analyse rapidement de nombreuses configurations de l'avion tout en simulant la performance de chaque configuration pour un pro fil de mission donnée. Un outil de post-traitement a également été développé afin de filtrer et sélectionner de manière interactive les paramètres de conception parmi les nombreuses configurations pour répondre à des applications pratiques. Le programme proposé a été utilisé dans le développement et la conception de plusieurs projets, tels que Solar Storm, premier mini-drone hybride au monde à énergie solaire d'une envergure de cinquante centimètre, SPOC, un mini-drone longue distance conçu pour voler au-dessus de la mer Méditerranée de Nice jusqu'en Corse (Calvii) et enfin Eternity, mini-drone de longue endurance d'une envergure d'un mètre, avec une configuration classique. Capable d'une autonomie de quatre heures avec les batteries embarquées, son temps de vol peut être amélioré jusqu'à huit heures avec l'utilisation de l'énergie solaire. En utilisant les évaluations de chaque projet, Cdsgn a été amélioré à la fois pour l'exactitude des calculs et pour la performance opérationnelle afin de développer le plus petit véhicule aérien pour une mission d'endurance donnée.
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