liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Automated Design and Fabrication of Micro Air Vehicles
Linköping University, Department of Management and Engineering, Machine Design. Linköping University, The Institute of Technology.
Linköping University, Department of Management and Engineering, Fluid and Mechatronic Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
Linköping University, Department of Management and Engineering, Fluid and Mechatronic Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
2011 (English)In: Journal of Aerospace Engineering, ISSN 0893-1321, E-ISSN 1943-5525, Vol. 226, no 10, 1271-1282 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

A methodology for an automated design and fabrication of micro-air vehicles (MAVs) is presented. A design optimization framework has been developed that interfaces several software systems to generate MAVs to optimally fulfil specific mission requirements. By means of amulti-objective genetic algorithm, families of MAVs are tailored with respect to objectives such as weight and endurance. The framework takes into consideration the airframe and aerodynamic design as well as the selection and positioning of internal components. The selection of propulsion system components is made from a database of off-the-shelf components. In combination with a three-dimensional printer, physical prototypes can be quickly manufactured. A validation of the framework results from flight tests of a real MAV is also presented.

Place, publisher, year, edition, pages
SAGE Journals online , 2011. Vol. 226, no 10, 1271-1282 p.
Keyword [en]
Micro Air Vehicle; multidisciplinary optimization; multi-objective optimization; genetic algorithm; CAD automation; design automation
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-73107DOI: 10.1177/0954410011419612ISI: 000312145300006OAI: oai:DiVA.org:liu-73107DiVA: diva2:466507
Available from: 2011-12-16 Created: 2011-12-16 Last updated: 2017-12-08Bibliographically approved
In thesis
1. Geometry Based Design Automation: Applied to Aircraft Modelling and Optimization
Open this publication in new window or tab >>Geometry Based Design Automation: Applied to Aircraft Modelling and Optimization
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Product development processes are continuously challenged by demands for increased efficiency. As engineering products become more and more complex, efficient tools and methods for integrated and automated design are needed throughout the development process. Multidisciplinary Design Optimization (MDO) is one promising technique that has the potential to drastically improve concurrent design. MDO frameworks combine several disciplinary models with the aim of gaining a holistic perspective of a system, while capturing the synergies between different subsystems. Among all disciplines, the geometric model is recognized as playing a key role, because it collects most of the data required to any other disciplinary analysis. In the present thesis, methodologies to enable multidisciplinary optimization in early aircraft design phases are studied. In particular, the research aims at putting the CAD geometric model in the loop. This requires the ability to automatically generate or update the geometric model, here referred to as geometry-based design automation.

The thesis proposes the use of Knowledge Based Engineering (KBE) techniques to achieve design reuse and automation. In particular, so called High Level CAD templates (HLCts) are suggested to automate geometry generation and updates. HLCts can be compared to parametric LEGO® blocks containing a set of design and analysis parameters. These are produced and stored in libraries, giving engineers or a computer agent the possibility to first topologically select the templates and then modify the shape of each template parametrically.

Since parameterization is central to modelling by means of HLCts, a thorough analysis of the subject is also performed. In most of the literature on MDO and KBE two recurring requirements concerning the geometrical model are expressed: the model should be flexible and robust. However, these requirements have never been properly formulated or defined. Hence, in the thesis a mathematical formulation for geometry model robustness and flexibility are proposed. These formulations ultimately allow the performance of geometric models to be precisely measured and compared.

Finally, a prototyping and validation process is presented. The aim is to quickly and cost-effectively validate analytical results from an MDO process. The proposed process adopts different manufacturing techniques depending on the size and purpose of the intended prototype. In the last part of the thesis, three application examples are presented. The examples are chosen from research projects that have been carried out at Linköping University and show how the proposed theoretical results have been successfully employed in practice.

Abstract [sv]

Kraven på ökad effektivitet utmanar ständigt  produktutvecklingsprocessen. I och med att ingenjörsprodukter blir allt mer komplexa, växer genom hela utvecklingsprocessen behovet av verktyg och metoder för integrerad och automatiserad design. Multidisciplinär Design Optimering (MDO) är en lovande teknik som kan drastiskt förbättra parallell design. I ett MDO ramverk är flera disciplinära modeller sammankopplade för att uppnå ett holistiskt systemperspektiv, men där synergierna mellan olika delsystem också kan fångas upp. Bland alla möjliga discipliner spelar geometrimodellen en central roll, eftersom den innefattar en stor del av all information som är nödvändig för andra disciplinära analyser.

I avhandlingen studeras ett flertal metoder för att möjliggöra multidisciplinär optimering i de tidigaste faserna av flygplansdesign. I synnerlighet är forskningen riktad mot att införa geometriska CAD modeller i designloopen. Det blir därmed nödvändigt att kunna automatiskt generera eller uppdatera geometriska modeller, vilket i avhandlingen kallas för ”geometribaserad design automation”.

Avhandlingen förordar att Knowledge Based Engineering (KBE) tekniker används för att konstruktioner skall kunna automatiseras och återanvändas. Så kallade Hög Nivå CAD mallar (på engelska High Level CAD templates – HLCts) föreslås för att automatiskt generera och uppdatera geometrimodeller. HLCts kan jämföras med parametriska LEGO® klossar som innehåller variabler för design och analys. Mallarna kan samlas i bibliotek; därefter har konstruktörer eller dator agenter möjligheten att först topologiskt välja en mall och sedan ändra på dess utförande genom utvalda parametrar.

Eftersom parameterisering är ett centralt begrepp för HLCt principen, föreslås även en fördjupad analys av ämnet. I stor del av MDO och KBE litteraturen ställs det två återkommande krav på geometrimodellen: modellen bör vara flexibel och robust. Eftersom dessa krav aldrig har getts en formell formulering, förordas i avhandlingen en matematisk beskrivning av modellrobusthet och - flexibilitet. Tack vore formuleringen är det möjligt att noggrant mäta och jämföra till vilken grad geometriska modeller fungerar.

Slutligen presenteras en valideringsprocess baserad på kostnadseffektiva prototyper som används för att snabbt bekräfta analytiska resultat från MDO ramverket. Den föreslagna processen nyttjar olika tillverkningsmetoder, beroende på prototypens tänkta storlek och användning. I sista delen av avhandlingen presenteras även tre applikationsexempel, valda från forskningsprojekt som har bedrivits på Linköpings universitet och som visar hur de teoretiska resultaten har kommit till användning i praktiken.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2012. 87 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1418
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-73109 (URN)978-91-7519-986-3 (ISBN)
Public defence
2012-01-27, C4, Hus C, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2011-12-16 Created: 2011-12-16 Last updated: 2011-12-21Bibliographically approved
2. Aircraft Design Automation and Subscale Testing: With Special Reference to Micro Air Vehicles
Open this publication in new window or tab >>Aircraft Design Automation and Subscale Testing: With Special Reference to Micro Air Vehicles
2012 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

This dissertation concerns how design automation as well as rapid prototyping and testing of subscale prototypes can support aircraft design. A framework for design automation has been developed and is applied specifically to Micro Air Vehicles (MAV). MAVs are an interesting area for design automation as they are an application where the entire design, from requirements to manufacturing, can indeed be automated. From a complexity point of view it can be considered to be similar to conceptual design of manned aircraft.

The created design optimization framework interfaces several software systems to generate MAVs to optimally fulfil specific mission requirements. The goal has been to find a method for MAV design and optimization from a holistic viewpoint, i.e. not a method for optimizing single subsystems, such as motor or propeller, but a method that embraces all disciplines of MAV design. Key drivers have been the use of off-the-shelf components wherever possible and to optimize the geometric shape not just from an aerodynamic perspective, but also to consider internal component placement and stability criteria. The optimization technique chosen is a multi-objective genetic algorithm. Finally, a novel method for direct digital manufacturing of MAVs is proposed.

The utility of the framework has been demonstrated with several case studies on MAV design. The propulsion system is identified as most influential on MAV performance and thus is where it is most important to have accurate models. For this reason the models used in the framework are experimentally validated. The influence of atmospheric winds and turbulence on MAV performance is also experimentally investigated

The subscale testing efforts are aimed at reducing cost and increasing the usability of flight testing with subscale vehicles. Data acquisition system design is described and low-cost testing methods are presented, such as car top testing or in-flight flow visualization. Two subscale flight projects are also presented.

Abstract [sv]

Den här avhandlingen handlar om hur konstruktionsprocessen av flygplan kan stödjas dels genom förbättrade analysverktyg, s.k.  konstruktionsautomation, och dels genom metoder för att snabbt och billigt kunna tillverka och testa nedskalade prototyper.

Konstruktion av flygplan är ett komplext område som innefattar många tätt sammanlänkade underdiscipliner. Ett lyckat flygplan är således en väl avvägd kompromiss mellan alla dessa discipliner. Dagens hårda konkurrens, krav på miljö, samt tekniska komplexitet ökar kraven på att framtidens flygplan måste vara bättre optimerade än idag. Traditionell flygplanskonstruktion kan ses som en sekventiell process där man stegvis förfinar konstruktionen en disciplin i taget. Med modern datorkraft och beräkningsprogram kan denna process delvis automatiseras varpå man på ett tidigare stadium kan ta hänsyn till fler discipliner. Många av de steg som tidigare genomförts sekventiellt kan nu göras parallellt. Det ökar möjligheten att nå en optimal konstruktion, samt minskar riskerna för att man tidigt bygger in fel i konstruktionen som är kostsamma att rätta till i ett senare skede. I den här avhandlingen beskrivs hur sådan konstruktionsautomation kan genomföras med hjälp av multidisciplinär optimering och en sammankoppling av ett flertal programvaror. Detta har speciellt applicerats på så kallade ”micro air vehicles” (MAV).

En MAV kan beskrivas som en luftfarkost av en sådan storlek att den enkelt kan bäras och skötas av en person. I princip ett flygplan i samma storleksklass som fåglar. I Sverige benämns dessa ofta som ”micro UAV”. Nyttan med MAVs är många sett både från ett militärt och civilt perspektiv. Typiska användningsområden är spaning/övervakning inom polis, militär och räddningsverksamhet, samt kartering, meterologi, gränsbevakning, jordbruksinventering etc. Den konstruktionsautomation som har utvecklats möjliggör att generera MAVs optimerade för givna prestandakrav och önskad nyttolast. I optimeringen så genereras den optimala skrovformen, val av framdrivningssystem, samt placering av interna komponenter. Slutligen så tillverkas den genererade farkosten genom en 3D skrivare. Avhandlingen lägger även vikt vid att experimentellt validera de beräkningar som ligger till grund för optimeringen.

Det andra spåret i avhandlingen behandlar ämnet konceptutvärdering genom nedskalade modeller. Att bygga och testa fysiska modeller är egentligen inget nytt inom flygkonstruktion. Avhandlingen visar dock hur man med modern teknik kan göra detta billigare än tidigare och samtidigt öka nyttan. Miniatyriseringen av elektronik gör att det idag går att utrusta radiostyrda demonstratorer med avancerade mätsystem varpå värdefull data kan insamlas. Vikten av att kunna testa fysiska prototyper ökar alltjämt som flygindustrin blir allt mer teoretisk. Tiden mellan olika flygplanskonstruktioner blir också längre, samt att behovet för nya radikala konstruktioner ökar för att möta de strama miljökraven. Att snabbt och billigt kunna utvärdera prototyper blir därför en allt viktigare del för att hålla kompetensen på en hög nivå. Avhandlingen behandlar skalning, konstruktionsmetoder, instrumentering och testning.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2012. 100 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1480
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-84673 (URN)978-91-7519-788-3 (ISBN)
Public defence
2012-11-23, ACAS, A huset, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2012-10-17 Created: 2012-10-17 Last updated: 2012-10-31Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full text

Authority records BETA

Amadori, KristianLundström, DavidKrus, Petter

Search in DiVA

By author/editor
Amadori, KristianLundström, DavidKrus, Petter
By organisation
Machine DesignThe Institute of TechnologyFluid and Mechatronic Systems
In the same journal
Journal of Aerospace Engineering
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 508 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf