Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Waypoint following autopilot for a GA class fixed-wing aircraft

Kacper Rafał Baczyński

Abstract

The aim of the thesis is to design a waypoint following autopilot for a General Aviation airplane. An aircraft with the designed autopilot should be able to maintain the desired flight altitude as well as move between selected waypoints along the orthodrome, in the most economical way. Additionally, the autopilot should allow both coordinated and standard turn during heading changes. In order to perform these tasks, it is necessary to control the airplanes’ elevator, aileron, and rudder. Due to its steering functions, the designed autopilot is composed of the altitude hold system, direction control system, and sideslip suppression system. At the beginning of the first chapter, the purpose and scope of this work was formulated. Next, the Euler angles, the angle of attack, and the sideslip angle were defined by means of appropriate relations between the adopted coordinate systems. Following this, the principles of steering and control systems of the aircraft were discussed. They were divided into gasodynamic and aerodynamic systems. Particular attention was paid to the latter system, which the designed autopilot utilizes. Subsequently, the control surfaces and their influence on airplane control were characterized. Control stick, yoke, and rudder pedals along with their different ways of connecting to control surfaces were also discussed. The next subsection deals with basic concepts used in navigation and contains a description of the initial orthodrome course and the distance between two points along this line. The coordinated and standard turn were then defined. At the end of the first chapter, automatic flight control systems with an emphasis on autopilots were discussed. They were divided into appropriate channels and functions. Information about very popular PID controllers and how to tune them was also cited. Finally, the indicators which can be used to assess the quality of control of automatic control systems were discussed. The second chapter begins with the characterization of the dynamic Navion model from the AeroSim library, which was used in the simulation. Next, the emphasis was put on the functions performed by the autopilot. Also, its structure was discussed and the desired sensors which the autopilot should use were proposed. The physical implementation and simplifying assumptions adopted during the design process were introduced as well. The third chapter is a detailed description of the entire system design in the MATLAB / Simulink environment according to the proper sequence of operation. In the fourth chapter, tests of the autopilot in the mentioned environment were carried out, following a testing procedure developed beforehand. An analysis of selected variables with previously imposed conditions was carried out. The fifth chapter summarizes the design process with a focus on the assessment of the system's performance. Finally, further options for developing an automatic flight control system for General Aviation aircraft was proposed.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Kacper Rafał Baczyński (FPAE) Kacper Rafał Baczyński,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Autopilot realizujący lot po punktach nawigacyjnych dla samolotu ogólnego przeznaczenia
Supervisor
Maciej Zasuwa (FPAE/IAAM) Maciej Zasuwa,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)
Study subject / specialization
, Lotnictwo i Kosmonautyka (Aerospace Engineering)
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
28-06-2019
Issue date (year)
2019
Pages
62
Internal identifier
MEL; PD-5148
Reviewers
Marcin Żugaj (FPAE/IAAM) Marcin Żugaj,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Maciej Zasuwa (FPAE/IAAM) Maciej Zasuwa,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
sterowanie, autopilot, punkt nawigacyjny, kurs, kąt drogi, ortodroma, zakręt skoordynowany, zakręt standardowy, regulator PID, samolot, lotnictwo ogólne, Simulink
Keywords in English
control, autopilot, waypoint, heading, course, great circle, coordinated turn, standard rate turn, PID controller, airplane, General Aviation, Simulink
Abstract in Polish
Celem niniejszej pracy dyplomowej jest projekt układu autopilota, który zapewni lot samolotu ogólnego przeznaczenia po zadanych punktach nawigacyjnych. Samolot z zaprojektowanym autopilotem powinien utrzymywać stałą wysokość lotu oraz poruszać się między punktami wzdłuż ortodrom, tak aby lot był jak najbardziej ekonomiczny. Dodatkowo podczas manewru zmiany kursu autopilot powinien gwarantować zakręt zarówno skoordynowany, jak i standardowy. W celu realizacji tych zadań konieczne jest sterowanie samolotem w trzech podstawowych kanałach: pochylenia, przechylenia i odchylenia. Stąd ze względu na funkcje w sterowaniu, projektowany układ autopilota można podzielić na: układ stabilizacji wysokości lotu, układ sterowania kierunkiem lotu oraz układ kompensacji kąta ślizgu. Na początku pierwszego rozdziału sformułowano cel i zakres niniejszej pracy. Następnie zdefiniowano kąty Eulera oraz kąt natarcia i kąt ślizgu za pomocą odpowiednich relacji między przyjętymi układami współrzędnych. W dalszej kolejności omówiono zasady oraz układy sterowania samolotem, które dzielą się na układy gazodynamiczne i aerodynamiczne. Szczególną uwagę zwrócono na te drugie, ponieważ z nich projektowany autopilot będzie korzystał. Z tego względu scharakteryzowano powierzchnie sterowe oraz ich wpływ na sterowanie. Omówiono także rodzaje sterownic oraz sposoby ich połączenia ze sterami. W kolejnym podrozdziale poruszono podstawowe pojęcia stosowane w nawigacji oraz opisano wzorem początkowy kurs ortodromy i odległość między dwoma punktami wzdłuż tej linii. Następnie zdefiniowano zakręt skoordynowany oraz standardowy. Pod koniec pierwszego rozdziału omówiono układy automatycznego sterowania lotem ze szczególnym uwzględnieniem autopilotów, dzieląc je na odpowiednie kanały i funkcje. Przytoczono także informacje o bardzo popularnych regulatorach PID oraz sposobie dobierania ich parametrów. Kończąc ostatecznie rozdział pierwszy omówiono wskaźniki jakimi można się posłużyć przy ocenie jakości regulacji układów automatycznego sterowania. Drugi rozdział rozpoczęto od scharakteryzowania używanego w symulacji modelu dynamicznego samolotu Navion z biblioteki AeroSim. W kolejnej części skupiono się na funkcjach jakie ma spełniać autopilot, omówiono jego strukturę, zaproponowano pożądane czujniki, z których autopilot powinien korzystać w fizycznej realizacji oraz wprowadzono założenia upraszczające przyjęte podczas projektowania. Rozdział trzeci stanowi dokładny opis projektowania całego układu w środowisku MATLAB/Simulink wg odpowiedniej kolejności działania. W rozdziale czwartym przeprowadzono testy symulacyjne autopilota w tymże środowisku wg założonego planu badań. Analizowano tu wybrane wielkości, którym przedtem narzucono określone wymagania. W rozdziale piątym podsumowano proces projektowania, skupiając się na ocenie jakości działania układu. Na zakończenie zaproponowano dalsze możliwości rozwoju układu automatycznego sterownia lotem samolotu ogólnego przeznaczenia.
File
  • File: 1
    Baczyński_praca.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 34891

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT11888bb200e9482a94c59a4abff90460/
URN
urn:pw-repo:WUT11888bb200e9482a94c59a4abff90460

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page