A tether system for industrial inspection UAVs — Wired power and data

Abstract

Denne masteroppgaven presenterer et komplett system som leverer strøm til en drone over en høyvoltskabel. Systemet inkluderer et sikkerthetsbatteri som kan overta dersom forsyningen ryker, i tillegg til en høyhastighets datalinje over kraftkabelen. Formålet med oppgaven er å fly en industriell inspeksjonsdrone uten å måtte tenke på batterinivå, slik at dronen kan flyves i flere timer istedenfor minutter. Rapporten diskuterer utfordringene som er knyttet til et slikt system og hvilke betraktninger som må taes ved design av et.

Kraftsystemet kan levere opp til 1200 W ved 300 V DC til drone over 30 meter. På dronen blir spenningen transformert ned til et brukbart nivå på ~19 V av en lett, men kraftig chip. En stor del av oppgaven har gått ut på å analysere spenningskvaliteten og stabiliteten til systemet. Det ble observert spenningstransienter når motorene på dronen ble enten koblet ut eller endret hastighet på veldig kort tid. Disse transientene kunne skade sensitivt utstyr ombord på dronen, og måtte derfor hånderes. Løsningen viste seg å være en TVS diode installert på ESCen for å lede overskuddsenergien vekk. Dette begrenset overspenningen på det beste fra en 23.2 % økning, ned til 14.1 % økning i spenning. En kondensator på riktig størrelse ble også brukt til å forbedre spenningsvariasjonen på ESCen.

To varianter av batterisikkerthetssystemet ble laget. En var en passiv variant av diode ORing kretsen, men med en stor fordel i at batterikilden ble styrt av en MOSFET istedenfor diode, slik at varme- og effekttapet var betraktelig lavere, som kan øke den tilgjengelige flytiden på batteri. Den andre kretsen (som ble brukt i det endelige systemet) var an aktiv variant av ORing kretsen med n-MOSFETer som brytere, og derfor veldig effektiv.

Datalinjen er lett å integrere og kunne overføre over 90 Mbit/s over kraftlinjen, selv når det var mye støy på linjen. Dette var mulig takket være et DM filter som ble plassert på linjen.

En revisjon av systemet burde oppgradere PSUen til 400 V på minst 1.7 kW for å opprettholde 1.5 kW tilgjengelig på dronen. Det vil samtidig redusere overføringstapet på linjen med opp til 47 %.

This master thesis proposes a complete system that can deliver power to a drone over a high voltage tether. The system includes a safety battery switchover mechanism and is capable of high speed ethernet over the power line. The purpose of the project is to fly an industrial inspection drone without the need to worry about battery life, enabling hours of continuous flight rather than minutes. This thesis discusses the challenges related to such a system and the design considerations that must be made.

The power transmission system is capable of delivering up to 1200 W at 300 V DC to the drone over 30 meters. On the drone this voltage is stepped down to a useable ~19 V by a lightweight but powerful converter chip. One major part of this thesis has been to analyze the power quality and stability of this system. It was discovered that voltage transients would occur when the motors were cut off or changed speed very fast. This transient could potentially damage sensitive equipment on the drone and needed to be addressed. The solution was to use a TVS diode on the ESC to clamp the voltage at a safe level, limiting the transient from up to 23.2 % increased voltage down to 14.1 % in the final system. Additionally, an appropriately sized capacitor on the ESC was found to reduce voltage ripples significantly.

Two backup battery interfaces were designed. One is a passive variant of the diode ORing circuit, with one major advantage being that the backup source can be switched from a MOSFET, reducing losses and increasing flight time on a battery. The other interface is an active variant of the diode ORing circuit with controlled n-MOSFETs, allowing very high efficiency. This variant is part of the final system.

The easy-to-integrate data link is capable of over 90 Mbit/s over the transmission line, even in the presence of noise. This was achieved by adding simple differential mode chokes to the line.

A revised system should upgrade the tether and PSU to 400 V and at least 1.7 kW, since this will enable the 1.5 kW of power available on the drone and reduce transmission losses by up to 47 %.