Trådlös laddning och automatisering av drönare - Wireless charging and automation of drones

Abstract

Tillämpningsområdena för drönare blir allt bredare där krav på automation och laddning är begränsande faktorer. Områdena omfattar i allt större grad samhällsviktiga sektorer inom försvar och medicinska applikationer. Syftet med rapporten var att möta dessa begränsningar genom att designa, konstruera och utvärdera ett principiellt drönarsystem som hanterar autonom navigering, precisionslandning och trådlös laddning utan mänsklig interaktion. Projektet kan delas upp i två parallella processer, konstruktion av ett trådlöst laddningssystem samt automatisering och precisionslandning av drönare. Dessa delar ligger till grund för ett komplett system. Vid design av laddningssystem användes flertalet programvaror med syfte att simulera systemets egenskaper av intresse, exempelvis kopplingsfaktor, verkningsgrad samt tolerans för felplacering. Laddningssystemet kunde därefter konstrueras och de simulerade värdena kunde valideras. Parallellt med detta tillämpades programvara som möjliggjorde autonom flygning av drönare, utan mänsklig interaktion. Vidare utvecklades mjukvara som användes för att avgöra avstånd med visuella markörer så precisionslandning av drönaren kunde genomföras. Till detta designades även ett hastighetsfält som skapades med Python, som sedan testades i en simulering för att påvisa autonom precisionslandning av drönaren. För laddningsplattan uppmättes en verkningsgraden på 47,7% och en kopplingsfaktor på 0,61. Dessa värden var något lägre än som förväntades från simuleringar. Systemets respons till felplacering var i linje med simulerade värden vilket möjliggjorde en linjär regression av relationen mellan felplacering och kopplingsfaktor. Drönaren kunde navigeras autonomt med hjälp av de befintliga sensorerna och återvända till närheten av sin startposition. Det fastställdes även att visuella markörer kunde användas för att uppskatta det relativa avståndet, med de krav som fastställts. Simuleringen indikerade dessutom att autonom flygning och precisionslandning med hjälp av det framtagna hastighetsfältet principiellt fungerar. De observerade avvikelserna bedöms sannolikt bero på beräkningsfel. Sammanfattningsvis påvisar projektet potentialen i att realisera ett helt autonomt system, men där flera aspekter måste bearbetas innan detta realiseras i sin helhet. Framöver måste fler omfattande fysiska flygningar genomföras där systemets olika komponenter integreras i ett system.

The application areas for drones are becoming increasingly broad, where requirements for automation and charging are limiting factors. These areas are encompassing critical societal sectors within defense and medical applications. The purpose of the report was to address these limitations by designing, constructing and evaluating a conceptual drone system capable of autonomous navigation, precision landing and wireless charging without human interaction. The project can be divided into two parallel processes, the construction of a wireless charging system and the automation and precision landing of drones. These parts form the basis for a complete system. During the design of the charging system, several software tools were used with the purpose of simulating system characteristics of interest, such as coupling factor, efficiency and tolerance to misalignment. The charging system could thereafter be constructed and the simulated values could be validated. In parallel with this, software enabling autonomous flight of the drone without human interaction was applied. Furthermore, software was developed to determine distance using visual markers so that precision landing of the drone could be carried out. In addition, a velocity field was designed using Python and tested in a simulation to demonstrate autonomous precision landing of the drone. For the charging platform, an efficiency of 47.7% and a coupling factor of 0.61 were measured. These values were somewhat lower than expected from simulations. The system’s response to misalignment was in line with simulated values, which enabled a linear regression of the relationship between misalignment and coupling factor. The drone could be navigated autonomously using the existing sensors and return to the vicinity of its starting position. It was also established that visual markers could be used to estimate the relative distance, according to the established requirements. Furthermore, the simulations indicated that autonomous flight and precision landing using the developed velocity field function in principle. The observed deviations are likely due to calculation errors. In conclusion, the project demonstrates the potential of realizing a fully autonomous system, although several aspects must be further developed before this can be fully realized in its entirety. In the future, more extensive physical flight tests must be carried out in which the different components of the system are integrated into a complete system.