Dolphin Sky : videreutvikling av sammenfoldbare oppheng for propell- og thrustersystem med sikkerhetsfunksjoner

Abstract

Den raske teknologiske utviklingen er blant annet ansvarlig for en økende urbanisering. Med urbanisering følger større konsentrasjoner av mennesker, som igjen bidrar til flere transportmidler på veiene. Dette reduserer fremkommeligheten, øker miljøutslippene og øker slitasjen på veibanen. Det er derfor ønskelig å utvikle og utvide infrastrukturen, og med Dolphin Sky ser man på muligheten for å flytte deler av trafikken til luftrommet.

REALTEK ved NMBU har siden 2007 utredet og utviklet et småbilkonsept kalt Dolphin, og fra 2016, dronebilen Dolphin Sky. All utredning, utvikling og design er hovedsakelig basert på emnefag og masteroppgaver gjennomført av studenter. Hensikten og visjonen for Dolphin Sky er å utvikle en fullelektrisk dronebil som både kan kjøres på veien og gjennomføre korte flyvninger. Dronebilen skal i førsteomgang ha kapasitet til én person, samt et kompakt design som er lite, lett og miljøvennlig.

Nåværende utviklingsstrategi for Dolphin Sky er modulbasert. Dronebilen er grovt inndelt i tre hovedmoduler: kabinmodul, kjøremodul og dronemodul. Gjeldene masteroppgave har tatt for seg en videreutvikling av dronemodulen. Hovedmålsettingen med oppgaven er å utrede, utvikle og designe en sammenfoldbar løsning for propell- og thrustersystemet som ivaretar både konstruksjons- og brukssikkerhet. Plassbesparelsen ved sammenfolding er hovedsakelig ønskelig for å bidra positivt til kjøreegenskapene, slik at dronebilen kan brukes til normal ferdsel på veibanen, parkering og innkjøring gjennom en standardisert garasjeport. Konstruksjons- og brukssikkerhet er spesielt viktig ved flyvning da personen i dronebilen er totalt avhengig av at konstruksjonen er robust og at det er sikkerhetsfunksjoner for nødlanding.

For å kunne oppnå hovedmålet på en god måte, ble det kartlagt og definert ulike faser av prosjektprosessen med tilhørende utviklingstrinn og aktiviteter. Prosjektet kan inndeles i fire faser: utredningsfase, utviklingsfase, konstruksjons- og designfase og ferdigstillingsfase.

I utredningsfasen ble det tidlig utarbeidet en prosjektplan som ga et overblikk over prosjektets forløp og omfang. Det ble definert hoved- og delmål med underordnede aktiviteter med ressursfordeling og milepeler. Det ble formulert problemstillinger, teknologiske flaskehalser og begrensninger for å sikre et målrettet prosjekt. Videre ble aktuelle produktutviklingsmetoder som IPD, SCAMPER og Pugh’s metodikk beskrevet. IPD metodikken ble tilpasset oppgaven og hadde som hensikt å ivareta en effektiv og helhetlig utførelse av prosjektet samt å sikre at viktige elementer i utviklingsprosessen ikke uteble. SCAMPER ble hovedsakelig benyttet ved konseptgenereringen, som en huskeliste for å bidra med inspirasjon og nye synspunkter. Pugh’s metodikk ble benyttet til å danne seleksjonsmatriser for utvelgelse av foretrukne løsningsalternativer. Det ble også kartlagt hvilke programvarer og hjelpemidler som var best egnet for arbeidet og hvordan prosjektet skulle kvalitetssikres. For å kunne definere oppgaven best mulig ble det utført en oppdatering på både den interne utviklingsstatusen for Dolphin Sky og den globale utviklingsstatusen for eksisterende løsninger. Avslutningsvis i fasen ble det lagt et teoretisk og teknologisk grunnlag som var relevant for beregninger og videreutvikling.

I utviklingsfasen ble det, basert på tidligere utredning, formulert målsettinger for produktet og de viktigste produktegenskapene. Det ble utført en metrisk grensespesifikasjon som dannet variasjonsbredden for ulike dimensjoner på dronemodulen, etterfulgt av en grovspesifikasjon med fastsatte verdier som dannet utgangspunktet for design og dimensjonering. For å sikre at alle de viktigste funksjonene på dronemodulen ble ivaretatt, ble det utført en funksjonsanalyse. Analysen dannet grunnlaget for videre konseptgenerering som resulterte i ulike løsningsalternativer for de respektive funksjonene. Løsningsalternativene ble vurdert, vektet og valgt uavhengig av hverandre, og de foretrukne alternativene ble sammensatt til en helhetlig konseptløsning. For å kvalitetssikre konseptvalget ble det utført en eksperttesting gjennom diskusjon og rådføring med utvalgte testpersoner med ulik bakgrunn.

I konstruksjons- og designfasen ble konseptløsningen 3D CAD modellert i Solidworks. Det ble videre utført beregninger og dimensjonering av utvalgte komponenter, der FEM analyser i Ansys Workbench ble brukt til å verifisere noen av resultatene. Det ble utført materialvalg basert på opptredende spenningsnivåer og en sikkerhetsfaktor mot utmattingsgrensen. Sikkerhetsfaktoren ble bestem iht. en lastfaktor på 3,5 G i selvbyggerforskriften. Det ble også foretatt en utredning av brukssikkerheten til dronemodulen der det ble generert et løsningsforslag til instrumentpanel og aktuelle nødlandingssystemer.

I ferdigstillingsfasen ble det kartlagt produksjonsmetoder for komponentene. Det ble også utarbeidet et kostnadsestimat for produksjon av én prototype, og en sammenligning til serieproduksjon. Til slutt ble det utarbeidet tekniske anvisninger og tegninger.

Resultatet fra prosjektet ble et konseptforslag for en dronemodul med seks opphengsarmer og thrustere. Alle opphengsarmene er designet like, noe som gir en symmetrisk konstruksjon. Opphengsarmene består av fire stegprofiler som kan teleskoperes og roteres i lengderetningen av dronebilen i kjøremodus. Hver thruster har en propellskjerming som strekker seg ut i en redusert halvsirkel som også er sammenfoldbar. Det er designet en låsemekanisme av opphengsarmene i både flymodus og kjøremodus. For innfestning til kabinmodulen er det tilrettelagt for en automatisk hurtigkobling. Det er også tilrettelagt for plassering av et nødlandingssystem med fallskjerm og rakett med innfestningspunkter til fallskjermtau. De fleste komponentene produseres med aluminiumslegeringene 6082 T6 og 6082 T651 og knutepunktskomponenter med rustfritt stål AISI 304. Dronemodulen veier totalt 125,6 kg uten motorer, propeller og nødlandingssystem. De ytre målene i utfoldet tilstand er 5287 x 5897 x 351 mm, og i sammenfoldet tilstand 3514 x 1119 x 351 mm.

For videre arbeid bør det gjennomføres en ny funksjonsanalyse for å optimalisere funksjonene på dronemodulen. Dette gjelder spesielt funksjoner knyttet til teleskoperingsarmene, der det må utvikles endestoppere for stegprofilene og en låsing i utfoldet og sammenfoldet tilstand. Det må også utredes mer om glideflater og opplagringspunkter. For propellskjermingen må det også utvikles en låsemekanisme i utfoldet og sammenfoldet tilstand. Videre bør det utvikles mekanismer som samkjører alle sammenfoldingsbevegelser. Dette vil gi brukeren en enklere og mer effektiv konvertering mellom flymodus og kjøremodus.

The rapid technological development is, among other things, responsible for an increasing urbanization. With urbanization follows larger concentrations of people which contributes to more means of transport on the roads. This reduces accessibility, increases environmental emissions and increases road wear. It is therefore desirable to develop and expand the infrastructure, and with Dolphin Sky one looks at the possibility of moving parts of the traffic to the airspace.

REALTEK at NMBU has since 2007 developed a small car concept called Dolphin and from 2016 the drone car Dolphin Sky. All studies, development and design are mainly based on course subjects and master's theses completed by students. The purpose and vision of Dolphin Sky is to develop a fully electric drone car that can both be driven on the road and carry out short flights. Initially, the drone car must have capacity for one person and a compact design that is small, light and environmentally friendly.

The current development strategy for Dolphin Sky is based on modularity. The drone car is roughly divided into three main modules: cabin module, driving module and drone module. The current master thesis has dealt with a further development of the drone module. The main objective of the task is to study, develop and design a foldable solution for the propeller and thrust system which safeguards both construction and user safety. The reason to develop a foldable system is mainly in order to enhance driving characteristics. The drone car must be able for use in normal traffic on the road, parking and passing through a standardized garage door. Construction and user safety are particularly important when flying, since the person inside the drone car is totally dependent on the construction being robust and available safety features for emergency landing.

To be able to achieve the main goal efficiently, various phases of the project process were mapped and defined. The project can be divided into four phases: study phase, development phase, construction and design phase and completion phase.

In the study phase, a project plan was prepared early on which provided an overview of the project's process and scope. Main and sub-goals were defined with subordinate activities with resource allocation and milestones. Problems, technological bottlenecks and limitations were defined to ensure a targeted project. Furthermore, current product development methods such as IPD, SCAMPER and Pugh's methodology were described. The IPD methodology was adapted to the task and was intended to ensure an efficient and comprehensive execution of the project and to ensure that important elements in the development process did not miss out. SCAMPER was mainly used in the concept brainstorming as bookmarks to contribute with inspiration and new views. Pugh's methodology was used to create selection matrices for selecting preferred concept solutions. It was also mapped out which software and aids were best suited for the work and how the project should be quality assured. To optimize project objectives, an update was made on both the internal development status of Dolphin Sky and the global development status of existing solutions. In the end, a study of relevant theory and technological inspiration laid the foundation for further work.

In the development phase, based on previous studies, objectives for the product and the main product characteristics were formulated. A metric boundary specification was performed which decided the width of variation for different dimensions of the drone module, followed by a rough specification with set values that formed the basis for design and calculations. To ensure that all the main functions of the drone module were taken care of, an analysis of functions was done. The analysis formed the basis for concept brainstorming that resulted in different solutions for the different functions. The solutions were evaluated and selected independently, and the preferred options were assembled into a comprehensive concept solution. In order to quality assure the concept selections, an expert test was carried out through discussion and consultation with selected test persons with different backgrounds.

In the construction and design phase, the concept solution was 3D CAD modeled in Solidworks. Calculations of selected components were also carried out, where FEM analyzes in Ansys Workbench were used to verify some of the results. Material choices was based on occurring tensions and a safety factor against the fatigue limit. The safety factor was determined according to a load factor of 3.5 G from regulations concerning self-build aircrafts. A study of the user safety of the drone module was also carried out, where a solution for the instrument panel was generated and emergency landing systems were mapped.

During the completion phase, different production methods were mapped. Based on the methods a cost estimate was also prepared for the production of one prototype and a comparison for mass production. Finally, technical instructions and drawings were made.

The result of the project was a concept for a drone module with six suspension arms and thrusters. All suspension arms are designed equally, which gives a symmetrical design. The suspension arms consist of four profiles that can be telescoped and rotated in the longitudinal direction of the drone car in driving mode. Each thruster has a propeller shield that extends into a reduced semicircle that is also foldable. It is designed a locking mechanism of the suspension arms in both flight mode and driving mode. For attachment to the cabin module, an automatic quick coupling is facilitated. It is also reserved space for a ballistic parachute and designed attachment points for parachute ropes. Most components are manufactured with the 6082 T6 and 6082 T651 aluminum alloys and the hub components with AISI 304 stainless steel. The drone module weighs a total of 125.6 kg without engines, propellers and emergency landing systems. The outer dimensions in the unfolded state are 5287 x 5897 x 351 mm and in folded state 3514 x 1119 x 351 mm.

For further work, a new analysis of functions should be carried out to optimize the functions of the drone module. This especially applies to the functions associated with the telescopic arms, where end stops must be developed for the profiles and a locking in the unfolded and folded state. It must also be studied more for sliding surfaces and support areas. For the propeller shield, a locking mechanism must also be developed in the unfolded and folded state. Furthermore, mechanisms that combine all folding movements should be developed. This provides an easier and more efficient conversion between flight mode and driving mode.