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Thesis (M.S.)--Air Force Institute of Technology, 2006. / AFIT/GAE/ENY06-S04 GAE 06S. "September 2006." Title from title page of PDF document (viewed on: Nov. 16, 2007). Includes bibliographical references (leaves 135-136).

Thesis (Ph. D.)--Oregon State University, 2007. / Printout. Includes bibliographical references. Also available on the World Wide Web.

The use of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) has exploded over the last decade with the constant need to reduce costs while maintaining capability. Despite the relentless development of electronics and battery technology there is a sustained need to reduce the size and weight of the on-board systems to free-up payload capacity. One method of reducing the energy storage requirement of UAVs is to utilise naturally occurring sources of energy found in the atmosphere. This thesis explores the use of static and semi-dynamic soaring to extract energy from naturally occurring shallow layer cumulus convection to improve range, endurance and average speed. A simulation model of an X-Models XCalibur electric motor-glider is used in combination with a refined 4D parametric atmospheric model to simulate soaring flight. The parametric atmospheric model builds on previous successful models with refinements to more accurately describe the weather in northern Europe. The implementation of the variation of the MacCready setting is discussed. Methods for generating efficient trajectories are evaluated and recommendations are made regarding implementation. For micro to small UAVs to be able to track the desired trajectories a highly accurate Attitude Heading Reference System (AHRS) is needed. Detailed analysis of the practical implementation of advanced attitude determination is used to enable optimal execution of the trajectories generated. The new attitude determination methods are compared to existing Kalman and complimentary type filters. Analysis shows the methods developed are capable of providing accurate attitude determination with extremely low computational requirements, even during extreme manoeuvring. The new AHRS techniques reduce the need for powerful on-board microprocessors. This new AHRS technique is used as a foundation to develop a robust navigation filter capable of providing improved drift performance, over traditional filters, in the temporary absence of global navigation satellite information. All these algorithms have been verified by flight tests using a mixture of manned and unmanned aerial vehicles and avionics developed specifically for this thesis.

A thermal is a column of warm rising air triggered by differential heating on the ground. In recent studies UAVs were programmed to exploit this free atmospheric energy from thermals to improve their range and endurance. Researchers had successfully flown UAVs autonomously with thermal soaring method. Most research involved some form of flight simulation. Improvements to the aircraft and thermal models for simulation purpose would enable researchers to better design their UAVs and explore any potential flaws in their designs. An aircraft simulation with a thermal environment was created in Horizon Simulation Framework, a modeling and verification framework that was developed by Cal Poly Space Technologies and Applied Research laboratory. The objective of this study is to enhance the fidelity of existing modeling and simulation methods on autonomous thermal soaring, and to advance and demonstrate the capabilities of Horizon Simulation Framework through such implementation. The geometry of a small remote controlled glider was used in this simulation. Aerodynamic prediction programs DATCOM+ and AVL were used to obtained stability and control derivatives for this glider. The induced roll effect caused by the asymmetric vertical velocity distribution of a thermal was included in the aerodynamic roll moment calculation. The autonomous guidance algorithm for the glider included a turn logic which would determine the correct turn direction for the glider when a thermal is detected. The thermal model developed in this thesis included the capabilities to vary the time dependent location, height, radius, and vertical velocity characteristics of naturally occurring thermals.

Le Dynamic Soaring est une technique de vol qui extrait l'énergie du vent par des manoeuvres particulières. Il estdirectement inspiré par le vol des albatros, qui parviennent à se maintenir en vol sans battre des ailes sur des centaines dekilomètres. Les types de manoeuvres nécessaires ainsi que les dimensions de l'oiseau suggèrent un potentiel de transposerle Dynamic Soaring aux véhicules de faibles dimensions. Cette thèse étudie la faisabilité d'exploiter le Dynamic Soaring dansle but de longue endurance vol autonome. Modèles et simulations sont menées afin de dériver une trajectoire quimaintienne le véhicule en vol sans apport d'énergie interne et d'étudier la physique de ce vol particulier,. Ensuite, larecherche se concentre sur l'influence des variables d'environnement et du cap de vol sur les sur les performances parDynamic Soaring. / Dynamic Soaring is a flight technique which extracts energy from the wind through particular maneuvers. It is directlyinspired by the flight of Albatrosses, which manage to sustain non-flapping flight for hundred of miles. The types ofrequired maneuvers as well as dimensions of the bird suggest a potential to transpose Dynamic Soaring to small dimensionvehicles. This PhD investigates the feasibility to extract energy by Dynamic Soaring in the purpose of long enduranceautonomous flight. Models and simulation are conducted in order to investigate the physics of this particular flight as wellas the feasibility to derive a trajectory which keep the vehicle aloft without internal energy contribution. Then the researchfocuses on the influence of environment variables and of travel heading on Dynamic Soaring performances.

- Einführung in das Projekt Solar Impulse (Entstehung, Herausforderung, Errungenschaften) - Beschreibung der eingesetzten Software Tools zur Entwicklung des Flugzeuges - Fallbeispiele für den Einsatz von Mathcad

- Einführung in das Projekt Solar Impulse (Entstehung, Herausforderung, Errungenschaften) - Beschreibung der eingesetzten Software Tools zur Entwicklung des Flugzeuges - Fallbeispiele für den Einsatz von Mathcad

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. / 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.

Les petit drones à voilure fixe rendent services aux secteurs de la recherche, de l'armée et de l'industrie, mais souffrent toujours de portée et de charge utile limitées. Le vol thermique permet de réduire la consommation d'énergie. Cependant,sans télédétection d'ascendances, un drone ne peut bénéficier d'une ascendance qu'en la rencontrant par hasard. Dans cette thèse, un nouveau cadre pour le vol à voile longue distance autonome est élaboré, permettant à un drone planeur de localiser visuellement des ascendances sous-cumulus et d’en récolter l'énergie de manière efficace. S'appuyant sur le filtre de Kalman non parfumé, une méthode de vision monoculaire est établie pour l'estimation des paramètres d’ascendances. Sa capacité de fournir des estimations convergentes et cohérentes est évaluée par des simulations Monte Carlo. Les incertitudes de modèle, le bruit de traitement de l'image et les trajectoires de l'observateur peuvent dégrader ces estimés. Par conséquent, un deuxième axe de cette thèse est la conception d'un planificateur de trajectoire robuste basé sur des cartes d'ascendances. Le planificateur fait le compromis entre le temps de vol et le risque d’un atterrissage forcé dans les champs tout en tenant compte des incertitudes d'estimation dans le processus de prise de décision. Il est illustré que la charge de calcul du planificateur de trajectoire proposé est réalisable sur une plate-forme informatique peu coûteuse. Les algorithmes proposés d’estimation ainsi que de planification sont évalués conjointement dans un simulateur de vol à 6 axes, mettant en évidence des améliorations significatives par rapport aux vols à voile longue distance autonomes actuels. / Small fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) provide utility to research, military, and industrial sectors at comparablyreasonable cost, but still suffer from both limited operational ranges and payload capacities. Thermal soaring flight for UAVsoffers a significant potential to reduce the energy consumption. However, without remote sensing of updrafts, a glider UAVcan only benefit from an updraft when encountering it by chance. In this thesis, a new framework for autonomous cross-country soaring is elaborated, enabling a glider UAV to visually localize sub-cumulus thermal updrafts and to efficiently gain energy from them.Relying on the Unscented Kalman Filter, a monocular vision-based method is established, for remotely estimatingsub-cumulus updraft parameters. Its capability of providing convergent and consistent state estimates is assessed relyingon Monte Carlo Simulations. Model uncertainties, image processing noise, and poor observer trajectories can degrade theestimated updraft parameters. Therefore, a second focus of this thesis is the design of a robust probabilistic path plannerfor map-based autonomous cross-country soaring. The proposed path planner balances between the flight time and theoutlanding risk by taking into account the estimation uncertainties in the decision making process. The suggested updraftestimation and path planning algorithms are jointly assessed in a 6 Degrees Of Freedom simulator, highlighting significantperformance improvements with respect to state of the art approaches in autonomous cross-country soaring while it is alsoshown that the path planner is implementable on a low-cost computer platform.