Analytical and Flight Test-Based Dynamic Characteristic Identification of a Small Fixed-Wing UAV

Abstract

Reliable and efficient UAV flight control design requires accurate knowledge of the vehicle’s dynamic characteristics, which are rarely provided by manufacturers and must therefore be determined independently. These characteristics can be obtained through analytical calculations, wind tunnel testing, and flight testing. However, in small UAV development, the process is often simplified by skipping directly to flight tests for control tuning, without first examining the underlying dynamic behavior. To address this gap, this research compares the dynamic characteristics derived from analytical calculations and flight testing. The case study focuses on BRIN’s bMFE-UAV, in which longitudinal and lateral/directional dynamics are identified using control-surface deflections as inputs and measured responses of speed, altitude, attitude, acceleration, and rotational rate as outputs. Results reveal consistent oscillatory behaviors: two oscillatory modes in longitudinal dynamics and, in lateral/directional dynamics, one oscillatory mode accompanied by two non-oscillatory modes. Only the damping ratio of the short-period mode showed close agreement (<10% difference), while other parameters exhibited substantial discrepancies. The discrepancies demonstrate the limitations of analytical methods in accurately reflecting real flight dynamics, reinforcing the necessity of flight testing to ensure reliable data for small UAV flight-control design.

ABSTRAK: Reka bentuk kawalan penerbangan UAV yang boleh dipercayai dan cekap memerlukan pengetahuan tepat pada ciri dinamik kenderaan. Ianya jarang didapati daripada pengeluar dan oleh itu mesti ditentukan secara bebas. Ciri-ciri ini boleh diperolehi melalui pengiraan analitika, ujian terowong angin, dan ujian penerbangan. Walau bagaimanapun, dalam pembangunan UAV kecil, prosesnya sering dipermudahkan dengan melangkau terus ke ujian penerbangan bagi kawalan penalaan, tanpa terlebih dahulu memeriksa tingkah laku dinamik. Kajian ini bertujuan membandingkan ciri dinamik yang diperoleh daripada pengiraan analitika dan ujian penerbangan. Kajian kes memfokuskan pada bMFE-UAV BRIN, di mana dinamik membujur dan sisi/arah dikenal pasti menggunakan pesongan permukaan kawalan sebagai input dan tindak balas diukur pada kelajuan, ketinggian, sikap, pecutan dan kadar putaran sebagai hasil pengeluaran. Dapatan mendapati tingkah laku berayun yang konsisten: dua mod berayun dalam dinamik membujur dan dalam dinamik sisi/arah, satu mod berayun disertai dengan dua mod bukan berayun. Hanya nisbah redaman mod jangka pendek menunjukkan perbezaan terdekat (iaitu <10%), manakala parameter lain menunjukkan ralat yang besar. Ralat menunjukkan batasan kaedah analisis dalam mencerminkan dinamik penerbangan sebenar, mengukuhkan keperluan ujian penerbangan bagi memastikan data boleh dipercayai untuk reka bentuk kawalan penerbangan UAV kecil.