Increasing the Flight Time of Unmanned Aerial Vehicles by Using Thermal Air Currents

Abstract

Unmanned aerial vehicles (UAV) are air vehicles that can be controlled remotely or fly autonomously, without an operator. UAVs have a wide range of uses for military and civilian purposes. With its wide range of usage areas, it is designed and produced with many different configurations for end users. UAV systems designed with different configurations come with many problems. The most basic deficiency encountered in UAVs with their wide range of use is the insufficient flight time and range. Many studies have been conducted on the solution of this problem, such as the improvement of the propulsion system, aerodynamic improvements, and innovations in battery technology. In this study, thermal air current were used by taking the subject of improving the flight times and ranges of UAVs. Thermal air currents are defined as upward rising air currents caused by the effect of sunlight on the earth. With the effect of upward air currents, sports aircraft and birds can stay in the air for hours and fly long distances without any propulsion and energy need. Within the scope of the study, thermal air currents were examined and an UAV system was designed and flight was carried out in order to detect thermal air currents autonomously. During flight trials, 61% longer flight time was detected with the use of thermal air currents compared to manual and stabilized flight modes.

Keywords

• UAV flight time
• Thermal air currents
• Natural carriers
• Glider

İnsansız Hava Araçlarının Uçuş Süresinin Termal Hava Akımları Kullanılarak Arttırımı

Öz

İnsansız hava araçları (İHA), uzaktan komuta ya da otonom biçimde uçuş yapabilen içerisinde bir operatör bulunmayan hava araçlarıdır. İHA’lar askeri ve sivil amaçlar için geniş bir kullanım alanına sahiptir. Kullanım alanlarının geniş olması ile son kullanıcılar için pek çok farklı konfigürasyonlar ile tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmektedir. Farklı konfigürasyonlar ile tasarlanan İHA sistemleri beraberinde birçok problemlerle birlikte gelmektedir. Geniş kullanım alanları ile İHA'larda karşılaşılan en temel eksiklik ise uçuş süresi ve menzilinin yetersiz olmasıdır. Bu problemin çözümü üzerine itki sisteminin iyileştirilmesi, aerodinamik iyileştirmeler, batarya teknolojisinde yapılan yenilikler gibi pek çok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada İHA’ların uçuş süreleri ve menzillerinin iyileştirilmesi konu alınarak, termal hava akımlarından yararlanılmıştır. Termal hava akımları, güneş ışınlarının yeryüzünde bıraktığı etki ile oluşan yukarı yönlü yükselen hava akımları olarak tanımlanmaktadır. Yukarı yönlü hava akımlarının etkisi ile sportif hava araçları ve kuşlar herhangi bir itiş gücü ve enerji ihtiyacı olmadan havada saatlerce kalabilmekte ve uzun mesafeli olarak uçuş yapabilmektedir. Çalışma kapsamında termal hava akımları incelenmiş ve termal hava akımlarının otonom olarak tespit edilebilmesi için bir İHA sistemi tasarlanmış ve uçuşu gerçekleştirilmiştir. Uçuş denemeleri esnasında manuel ve stabilize uçuş modlarına göre termal hava akmlarının kullanımı ile yapılan uçuşta %61 daha uzun uçuş süresi tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• İHA uçuş süresi
• Termal hava akımları
• Doğal taşıyıcılar
• Planör

References

1. Konar M., 2020. “Simultaneous determination of maximum acceleration and endurance of morphing UAV with ABC algorithm-based model”, Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 92 (1), 579-586.
2. Konar M. 2019. "Redesign of morphing UAV's winglet using DS algorithm based ANFIS model", Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 91 (9), 1214-1222.
3. Shiau, J., Ma, D., Yang, P., Wang, G., Gong, H., 2009. Design of a solar power management system for an experimental uav. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 45 (4), 1350-1360.
4. Oettershagen, P., Melzer, A., Mantel, T., Rudin, K., 2015. A solar-powered hand-launchable UAV for low-altitude multi-day continuous flight. IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA, 3986-3993.
5. Oettershagen, P., Stastny, T., Mantel, T., Melzer, A., Rudin,K., Gohl, P., Agamennoni, G., Alexis, K., Siegwart., R., 2016, Long-endurance sensing and mapping using a hand-launchable solar-powered uav. 10th International Conference on Field and Service Robotics, 4 (3): 441–454.
6. Goetzendorf‐Grabowski, T., Frydrychewicz, A., Goraj, Z. & Suchodolski, S. 2006, MALE UAV design of an increased reliability level, Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 78 (3): 226-235.
7. Zhu, B.J., Hou, Z.X., Ouyang, H.J., 2016. Trajectory optimization of unmanned aerial vehicle in dynamic soaring. College of Aerospace Sciences and Engineering, National University of Defense Technology, 3 (10): 1779-1793
8. Kekeç, E.T., Konar, M., Oktay, T., 2019. Termal hava akımlarının sabit kanatlı hava araçlarının uçuş süresi ve menziline etkisinin incelenmesi, pp. 476-481. BİLTEK uluslararası bilim, teknoloji ve sosyal bilimlerde güncel gelişmeler sempozyumu, Ankara.

9. Kekeç, E.T., 2020. Termal hava akimlarinin sabit kanatli hava araçlarinin uçuş süresi ve menziline etkisinin incelenmesi. Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Kayseri, 109s. [10] Ákos, Z., Nagy, M., Leven2, S Vicsek, T., 2010, Thermal soaring flight of birds and UAVs, Bioinspiration & Biomimetics , 5 (4): 312-328 .
10. Buckland, G., 2012. Mastering Thermal soaring techniques. ( Web sayfası: http://www.orlandobuzzards.org/?page_id=1657), (Erişim tarihi: Ocak 2021).
11. Scott, J., 2020. Birds, thermals and soring flight. ( Web sayfası: http://www.aerospaceweb.org/question/nature/q0253.shtml ), (Erişim tarihi: Ocak 2021).
12. Allen, M., 2006. Updraft model for development of autonomous soaring uninhabited air vehicles. In 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 12 January 2006, Reno, Nevada,pp. 1510.
13. Çamalan, İ., 2020. Soarıng ve termaller. ( Web sayfası: http://ibrahimcamalan.weebly.com/atpl-soaring.html), (Erişim tarihi: Ocak 2021).
14. Akhtar, N., Cooke, A.K., Whidborne, J.F., 2012. A positioning algorithm for autonomous thermal soaring, Department of Aerospace Sciences, School of Engineering, 49 (2): 472-482.
15. Tabor, S., Guilliard, I., & Kolobov, A., 2018. ArduSoar: an open-source thermalling controller for resource-constrained autopilots, International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 215 (2): 6255-6262.
16. Tabor, S., Guilliard, I., Kolobov, A., 2018. ArduSoar: an open-source thermalling controller for resource-constrained autopilots,: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems Conference, 10 (2): 6255-6262.
17. Çoban, S., Oktay, T. (2018). Legal and Ethical Issues of Unmanned Aerial Vehicles. Journal of Aviation, 2(1), 31-35.
18. Çoban, S. 2020, "Autonomous performance maximization of research-based hybrid unmanned aerial vehicle", Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Vol. 92 No. 4, pp. 645-651
19. Çoban, S. (2019). Different Autopilot Systems Design For a Small Fixed Wing Unmanned Aerial Vehicle. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (17), 682-691.