Design and implementation of UAV performance validation system

Abstract

This thesis aims for design and implementation of a system for drone performance measurements, which can be used for validation of different drones for research projects accordingly. Additionally, the device should be able to be used as a part of a hardware-in-loop -system with simulators in drone research. The primary goal for this thesis is to build a system which helps to document different drone properties efficiently and safely. This is done with a system that consists of a robust frame, a force and torque measuring transducer, a drone stabilizing unit, a data logging system, and a remote-control power supply. For controlling the system, user interface was created to control the data stream, the drone stabilizing unit, and the power supply.

This thesis includes a literature review of drone general classification properties and legal regulations. Short review of drone usage and selection criteria in industry and research is conducted, as well as in-depth review of the drone components and their relation to overall performance of the drone. The thesis also contains literature review of force and torque measuring theory, and other drone performance measuring units. The functionality of the designed unit is tested by building a drone from spare components, and valuating its performance based on e.g., lift generation, power consumption and visual behavior of the drone. Measured data is documented, and with the documents, drone’s suitability for future research projects can be assessed. According to the results, the unit can be used to evaluate drone’s performance, and groundwork for Hardware-in-loop simulator connection for drone research. The testing unit and the data recordings as well as the built testing drone stays within the research facility for further development.

Tässä diplomityössä suunnitellaan ja valmistetaan droonien suorituskykyä mittaava tutkimuslaitteisto, jonka avulla voidaan arvioida erilaisten droonien soveltuvuutta tutkimusprojekteihin tapauskohtaisesti. Työssä tavoitellaan helppokäyttöistä järjestelmää, jonka avulla itse tehtyjen droonien ominaisuuksia voidaan dokumentoida turvallisesti ja tehokkaasti. Työssä perehdytään droonien luokitteluun tutustumalla voimassa oleviin säädöksiin, sekä droonin suorituskykyä kuvaaviin ominaisuuksiin. Työssä tarkastellaan droonien käyttöä eri aloilla arvioiden esiin nousseita droonin valintaperusteita ja ominaisuuksia. Tämän jälkeen tutustutaan droonien rakenteeseen ja ominaisuuksiin. Voiman mittauksen teoriaan sekä kehitettyihin mittausmenetelmiin tutustutaan tukemaan anturivalintaa. Suunniteltu järjestelmä koostuu tukevasta rungosta, voiman mittaukseen soveltuvasta anturista, droonin vakauttamisen kokonaisuudesta, datan keräysjärjestelmästä sekä etäohjattavasta virtalähteestä. Laitteiston ohjaukseen luotiin rajapinta, jonka kautta järjestelmää voidaan hallita. Järjestelmän toimivuus todettiin kahdella mittauskäyttöön soveltuvalla droonilla, joiden suorituskykyä arvioitiin droonien ominaisuuksien, sekä visuaalisen käyttäytymisen avulla. Mittauksien tulokset dokumentoitiin, ja dokumentaation perusteella voidaan arvioida sekä tutkimuslaitteiston toimivuutta, että mitattujen droonien soveltuvuutta tulevissa tutkimusprojekteissa. Mittausten perusteella voidaan todeta laitteen soveltuvan droonien suorituskyvyn mittaamiseen, sekä pohjatyöksi simulaattorikytkentään. Mittalaitteisto sekä mittaustulokset jäävät Biomimetiikka ja älykkäät järjestelmät -tutkimusyksikön käyttöön droonitutkimuksen tueksi.