Unmanned Aerial Vehicle Design and Technology

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Chapter 1. A Review on Trending Topics on the Civilian Drones in the Second Century of Aviation: Current Status, Challenges, and Research Opportunities

   T. Hikmet Karakoc, Emre Özbek

   Das Kapitel befasst sich mit dem boomenden Sektor ziviler Drohnen und untersucht ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von der Landwirtschaft bis hin zur Inspektion der Infrastruktur. Er diskutiert die Verlagerung von militärischer auf zivile Nutzung, die Vorteile von Drohnen bei der Kostensenkung und Effizienzsteigerung und die Herausforderungen, vor denen sie stehen, wie Ausdauer, Lärm und Navigationsprobleme. Der Text hebt auch vielversprechende Forschungstrends hervor, die darauf abzielen, diese Hindernisse zu überwinden, darunter Hybridantriebe, Geräuschreduzierungstechniken und ausfallsichere Kontrollsysteme. Indem es eine ganzheitliche Sicht der zivilen Drohnenindustrie bietet, unterstreicht das Kapitel das Potenzial für weitere Integration und Innovation in verschiedenen Sektoren.

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3. Chapter 2. Systems Engineering Approach on UAS Design

   Emre Özbek, Selcuk Ekici, T. Hikmet Karakoc

   Das Kapitel vertieft sich in den systemtechnischen Ansatz zur Entwicklung unbemannter Luftfahrtsysteme (UAS) und betont die Bedeutung der Aufteilung komplexer Systeme in Subsysteme und Komponenten. Es werden die Vorteile dieses Ansatzes diskutiert, wie etwa die Erleichterung der Wartung und die Verbesserung der Systemleistung. Der Text untersucht auch die verschiedenen Ebenen des Systems Engineering, vom System der Systeme bis hin zur Teilebene, und wie sie zusammenhängen. Darüber hinaus bietet es einen detaillierten Workflow des UAS-Designprozesses, von der Anforderungsermittlung bis hin zu Tests und Evaluierungen, und enthält ein praktisches Beispiel eines UAS-Designprojekts. Dieses Kapitel ist von entscheidender Bedeutung für Fachleute, die die Prinzipien der Systemtechnik für das Design von UAS effektiv verstehen und anwenden wollen.

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4. Chapter 3. Aerodynamic Analysis of Short Landing Solar-Powered UAV for Environmental Monitoring Applications

   Chinnapat Thipyopas, Nattapong Warin

   Das Kapitel untersucht die aerodynamische Analyse von solarbetriebenen Drohnen mit kurzer Landung, die für die Umweltüberwachung entwickelt wurden. Er untersucht die Variabilität der Solarenergie und ihre Auswirkungen auf das UAV-Design und unterstreicht die Bedeutung der Auswahl hocheffizienter Solarzellen wie des Modells SunPower C60. Die Studie untersucht auch die Auswirkungen der Solarzellentemperatur auf die Effizienz und die Herausforderungen bei der Konstruktion von Tragflächen für optimale aerodynamische Leistung. Innovative Landekonzepte, wie etwa die Deep-Stall-Landung, werden eingeführt, um der geringen Leistungsverfügbarkeit während der Start- und Landephasen Rechnung zu tragen. Das Kapitel schließt mit einer detaillierten Bewertung der Stabilität und Leistung von Flugzeugen, was es zu einer wertvollen Ressource für Fachleute auf diesem Gebiet macht.

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5. Chapter 4. Onboard Trajectory Coordination of Multiple Unmanned Air Vehicles

   James Sease, Stephen Warwick, Afzal Suleman

   Das Kapitel geht auf die Komplexität des Managements mehrerer unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) im Flug ein und hebt die Vorteile koordinierter Flugbahnen hervor. Es werden zwei primäre Methoden zur Koordinierung von Drohnen eingeführt: virtueller Führer und Beflockungsalgorithmen. Die Methode des virtuellen Führers simuliert ein zentralisiertes Kontrollschema, während Beflockungsalgorithmen eine dezentrale Interaktion und Sicherheit zwischen unbemannten Flugzeugen ermöglichen. Die Autoren stellen ein System vor, das diese Methoden kombiniert, um Formationskontrolle und Kollisionsvermeidung zu optimieren. Das Kapitel umfasst detaillierte Simulationen und Flugtests in der realen Welt, die die Effektivität des Systems demonstrieren und Verbesserungsmöglichkeiten aufzeigen. Insbesondere diskutieren die Autoren die Auswirkungen interner Verzögerungen und Kommunikationsverzögerungen auf die Systemleistung und liefern wertvolle Einblicke in die Herausforderungen der Echtzeit-Koordination von Drohnen.

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6. Chapter 5. Applications of Drones in the Health Industry

   Kursat Alp Yigit, Alper Dalkiran, T. Hikmet Karakoc

   Das Kapitel befasst sich mit den innovativen Anwendungen von Drohnen im Gesundheitssektor und konzentriert sich dabei auf ihre Rolle im medizinischen Transport, in der Telemedizin und bei der Überwachung des öffentlichen Gesundheitswesens. Darin wird diskutiert, wie Drohnen wichtige medizinische Versorgungsgüter wie Medikamente und Defibrillatoren in abgelegene Gebiete liefern können, wodurch Reaktionszeiten und Patientenergebnisse deutlich verbessert werden. Darüber hinaus untersucht das Kapitel den Einsatz von Drohnen in der Telemedizin zur Ferndiagnose und -behandlung sowie ihre Rolle bei der Überwachung der öffentlichen Gesundheit zur Katastrophenbewältigung und Krankheitsüberwachung. Der Text hebt auch die Vorteile und Herausforderungen verschiedener Drohnentypen wie Multirotoren, Starrflügel- und VTOL-Drohnen im Gesundheitswesen hervor. Insgesamt bietet das Kapitel einen gründlichen Überblick darüber, wie Drohnen die Gesundheitsbranche verändern, und bietet Einblicke in ihr Potenzial und ihre Grenzen.

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7. Chapter 6. An Evaluation of the Current Status and Trends in All Electric Urban Air Mobility UAVs

   Emre Özbek, Alper Dalkiran, Evren Yilmaz Yakin, Selcuk Ekici, T. Hikmet Karakoc

   Das Kapitel geht den Beweggründen und Hintergründen der Elektrifizierung im Luftverkehr nach und behandelt Schlüsselthemen wie Luftschadstoffemissionen, Geräuschemissionen, Auswirkungen des Klimawandels und die Abhängigkeit von Rohöl. Es bewertet den aktuellen Status und die Trends bei rein elektrischen urbanen Luftfahrzeugen und konzentriert sich dabei auf Schlüsselkriterien wie maximales Startgewicht, Pilotentyp, Konfiguration, Reichweite, Passagierkapazität, Nutzlast, Reisegeschwindigkeit, Stromquelle und Anzahl der Motoren. Die Evaluierung umfasst eine Überprüfung wegweisender Modelle wie Volocopter, Ehang 216 und Lilium Jet, die einen detaillierten Vergleich ihrer Leistung und ihres Entwicklungsstandes liefern. Das Kapitel diskutiert auch die Herausforderungen und Zukunftsaussichten der Integration von UAM mit eVTOL-Drohnen und betont die Notwendigkeit der Entwicklung von Infrastruktur, regulatorischer Rahmenbedingungen und der Akzeptanz von Passagieren. Der Bewertungsrahmen und die Einsichten in die neu entstehenden Technologien und Trends machen dieses Kapitel zu einer wertvollen Ressource für Fachleute und Forscher auf dem Gebiet der urbanen Luftmobilität.

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8. Chapter 7. Aerodynamic Shape Optimization and the Effect of Morphing Winglet-Induced Tip Vortex Structure on the UAS-S45

   Musavir Bashir, Simon Longtin-Martel, Ruxandra Mihaela Botez, Tony Wong

   Das Kapitel behandelt die Optimierung der aerodynamischen Form und die Auswirkungen der Winglets auf die UAS-S45. Es untersucht den Einsatz modernster Morphing-Methoden, um die Leistung von Flugzeugen zu verbessern, den Luftwiderstand zu verringern und das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand zu verbessern. Die Studie verwendet Partikelschwarm-Optimierungs- und Mustersuchalgorithmen, um Winglet-Designs zu optimieren, und verwendet CFD-Simulationen, um die aerodynamische Leistung zu analysieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die aerodynamische Effizienz und Ausdauer des Flugzeugs durch die Umwandlung der Winglets deutlich verbessern lässt. Das Kapitel beleuchtet auch die potenziellen Vorteile der Umwandlung von Winglets bei der Reduzierung von Treibstoffverbrauch und Emissionen und macht sie zu einer wertvollen Ressource für Forscher und Ingenieure in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

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9. Chapter 8. Observer-based Feedback Linearization Control of a Quadrotor Subjected to Sensor Noise

   Ahmet Ermeydan, Aziz Kaba

   Das Kapitel untersucht die fortgeschrittene Steuerung von Quadrotoren mittels beobachtergestützter Feedback-Linearisierung und adressiert die Herausforderungen durch Sensorgeräusche und externe Störungen. Sie vertieft die nichtlineare Dynamik von Quadrotoren und die Grenzen traditioneller linearer Regelungsmethoden. Die vorgeschlagene Methode nutzt Partikelfilter, um die Leistung des Beobachters zu steigern, was eine präzise Kontrolle und minimale Störungsfehler ermöglicht. Das Kapitel umfasst detaillierte Simulationen und statistische Analysen, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Kontrollstrategie bei der Verfolgung von lauten Referenzen und der Verringerung von Fehlern demonstrieren. Diese Arbeit ist besonders relevant für Forscher und Ingenieure, die die Robustheit und Genauigkeit von Quadrotorsteuerungssystemen in realen Anwendungen verbessern wollen.

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10. Chapter 9. An Evaluation on Landing Gear Configurations of Fixed-Wing, Rotary-Wing, and Hybrid UAVs

    Emre Özbek, Selcuk Ekici, T. Hikmet Karakoc

    Dieses Kapitel vertieft die kritische Bewertung von Fahrwerkskonfigurationen für verschiedene Arten von Drohnen, einschließlich Starrflügel-, Drehflügel- und Hybridmodellen. Er beginnt mit einer klaren Klassifizierung von Drohnen, unterscheidet zwischen Starrflügel- und Rotationsflügelflugzeugen und führt das Konzept hybrider Drohnen ein, die die Vorteile beider kombinieren. Der primäre Fokus liegt auf den Fahrwerkssubsystemen, die für Start- und Landevorgänge von entscheidender Bedeutung sind. In diesem Kapitel werden die Funktionen und Konstruktionsüberlegungen für jede Art von Drohne untersucht und die einzigartigen Herausforderungen und Vorteile unterschiedlicher Konfigurationen hervorgehoben. Bei unbemannten Flügeln geht es um die Auswahl der Fahrwerkstypen, von starr bis einziehbar, und ihre Auswirkungen auf Leistung und Komplexität. Drohnen mit Drehflügeln werden auf ihre vertikalen Start- und Landekapazitäten untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Kufen und Kapseln als primäre Fahrwerkslösungen liegt. Hybride Drohnen, die eine Mischung aus Festflügelausdauer und Manövrierfähigkeit mit Drehflügeln bieten, werden ebenfalls auf ihre spezifischen Fahrwerksbedürfnisse hin analysiert. Das Kapitel schließt mit einem praktischen Leitfaden zu Designmethoden, der Experten hilft, fundierte Entscheidungen bei der Entwicklung von Drohnen zu treffen. Dieser umfassende Überblick macht das Kapitel zu einer unschätzbaren Ressource für alle, die an der Entwicklung und Konstruktion von Drohnen beteiligt sind.

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11. Chapter 10. Non-linear System Identification for UAS Adaptive Control

    Sean Bazzocchi, Afzal Suleman

    In diesem Kapitel werden die Herausforderungen des konventionellen Autopiloten-Designs und der Tuning-Prozesse diskutiert, die zeitaufwändig sind und umfassende bodengestützte Analysen erfordern. Es wird die Methode Model Identification Adaptive Control (MIAC) eingeführt, die den Tuning-Prozess automatisiert und online ein menschenlesbares, zeitlich variierendes Systemmodell generiert. Die Sparse Identification of Non-Linear Dynamics (SINDy) -Technik wird zur Systemidentifikation eingesetzt und demonstriert ihre Effektivität bei der Identifizierung nichtlinearer Dynamiken mit begrenzten und verrauschten Daten. Das Kapitel beleuchtet auch die Vorteile von MIAC, wie die schnelle Analyse der Systemleistung und die Fähigkeit, Änderungen der Systemdynamik während des Fluges zu bewältigen. Darüber hinaus präsentiert es die Architektur für die Integration von MIAC mit einer Online-Simulation, einem Modell-Supervisor und einem Kontroll-Perturbator, um adaptive Steuerung in Echtzeit zu ermöglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die SINDy-Methode Fahrzeugdynamik mit minimaler Störung präzise identifizieren kann, was den Weg für weitere Forschungen an adaptiven Echtzeit-Kontrollsystemen ebnet.

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12. Chapter 11. Use of Unmanned Aerial Vehicles for Imaging and Remote Sensing

    Alpaslan Durmuş, Erol Duymaz

    Das Kapitel untersucht den Einsatz unbemannter Luftfahrzeuge (Unmanned Aerial Vehicles, UAVs) für Bildgebung und Fernerkundung und betont ihre Flexibilität und Kosteneffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Er vertieft die technischen Aspekte von Drohnenflugkontrollsystemen, Bodenkontrollstationen und verschiedenen Bildgebungstechniken, einschließlich Sichtband-, Multispektral-, Hyperspektral- und Wärmebildkameras. Das Kapitel beleuchtet auch die vielfältigen Anwendungen von Drohnen in der Präzisionslandwirtschaft, der Umweltüberwachung und anderen Bereichen. Darüber hinaus werden die Vorteile flugbereiter starrflügeliger Drohnensysteme, wie sie von SenseFly produziert werden, diskutiert, die eine hochauflösende Bildgebung und einfache Bedienung bieten. Das Kapitel schließt mit der Betonung der wachsenden Bedeutung von Drohnen in verschiedenen Sektoren, was sie zu einer wertvollen Ressource für Fachleute macht, die die neuesten Fortschritte in der Fernerkundungstechnologie verstehen wollen.

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13. Backmatter