Pakettitoimituksiin soveltuvan miehittämättömän lentoaluksen konseptisuunnittelu

Abstract

Miehittämättömien lentoalusten eli UAV:iden (Unmanned Aerial Vehicle) käyttö on tämän vuosikymmenen aikana yleistynyt harrastus- ja sotilaskäytön lisäksi myös kaupallisessa käytössä. Yleisimpiä käyttökohteita ovat ilmakuvaus-, kaukokartoitus- ja valvontatehtävät. Lähitulevaisuudessa miehittämättömiä lentoaluksia voidaan käyttää myös pakettitoimituksissa. Tämän työn päätavoitteena on suunnitella tähän tarkoitukseen soveltuva miehittämätön lentoalus.

Tätä varten työssä vertaillaan erilaisia multikopterikonfiguraatioita ja niiden suorituskykyä. Suorituskyvyn arvioimiseksi kehitetään suorituskykymalli lentoaluksien yleisistä liikeyhtälöistä ja multikopterin suorituskykyyn vaikuttavien komponenttien yksinkertaistetuista malleista. Lisäksi suunnitellaan ja mitoitetaan multikopterin rakenteen roottoreiden tukivarret. Suunnittelussa luodaan lukuisia multikopterikonsepteja, joiden suorituskykyä ja ominaisuuksia vertaillaan parhaan konseptin valitsemiseksi.

Multikopterissa käytetään kaupallisesti saatavilla olevia komponentteja. Lopullinen konsepti on neliroottorinen multikopteri, jolla on mahdollista kuljettaa esimerkiksi 3 kg kuorma noin 14 km päähän nopeudella 10 m/s. Lopuksi arvioidaan näiden suorituskykyominaisuuksien riippuvuutta toisistaan.

The use of unmanned aerial vehicles, or UAVs, has become more common, in addition to hobby and military use, in commercial use during this decade. The most common uses are aerial photography, remote sensing and surveillance. In the near future, UAVs can also be used in package delivery. The main objective of this thesis is to design an unmanned aerial vehicle for this application.

In this thesis, different multirotor configurations and their performance are compared. To estimate the performance, a performance model is developed out of general equations of motion for aircraft and simplified models of the performance effecting components. In addition, the rotor arms of the multirotor structure are designed and sized. In the design process, multiple multirotor concepts are created, and their performance and properties are compared to select the best concept.

Commercially available components are used for the multirotor. The final design is a four-rotor multirotor that can be used to transport for example a payload of 3 kg to approximately 14 km distance at 10 m/s. Finally, the dependence of these performance properties to each other are evaluated.