Technologies for safe UAS operations under bad weather conditions

Abstract

Táto dizertačná práca sa zaoberá problematikou bezpečnej prevádzky bezpilotných lietadiel (UAV) v náročných poveternostných podmienkach, najmä s ohľadom na turbulencie v nízkych výškach nad terénom. Práca sa zameriava na využitie metódy výpočtu miery rozptylu vírov (EDR) na detekciu turbulencií a navrhuje novú metodiku výpočtu EDR pre multikoptéry. Súčasťou výskumu boli numerické simulácie v prostredí STAR-CCM+ a ENVI-met, ktoré umožnili identifikovať oblasti so zvýšeným výskytom turbulencií v okolí budov a prekážok. Na základe týchto simulácií boli odvodené empirické vzorce pre predikciu veľkosti nebezpečných zón pre prevádzku UAV. Praktická časť práce zahŕňala testovacie lety s využitím UAV DJI M100 vybaveného ultrazvukovým anemometrom Calypso. Namerané údaje boli použité na validáciu numerických simulácií a taktiež výpočet EDR pomocou prispôsobenej metódy štruktúrnych funkcií. Výsledky práce prispievajú k zlepšeniu bezpečnosti prevádzky UAV v náročných poveternostných podmienkach a ponúkajú nové možnosti pre ich využitie v rôznych oblastiach.This dissertation addresses the issue of safe operation of unmanned aerial vehicles (UAVs) in challenging weather conditions, particularly with respect to low-altitude turbulence. The work focuses on utilizing the Eddy Dissipation Rate (EDR) calculation method for turbulence detection and proposes a new methodology for calculating EDR for multicopters. The research included numerical simulations in STAR-CCM+ and ENVI-met environments, which allowed for the identification of areas with increased turbulence occurrence near buildings and obstacles. Based on these simulations, empirical formulas were derived to predict the size of dangerous zones for UAV operation. The experimental part of the research involved test flights using a DJI M100 UAV equipped with a Calypso ultrasonic anemometer. The measured data were used to validate the numerical simulations and also to calculate EDR using an adapted structural functions method. The results of the work contribute to improving the safety of UAV operation in demanding weather conditions and offer new possibilities for their use in various areas.