Energy optimized navigation in drones

Abstract

Denne avhandlingen ble skrevet med m˚al om ˚a undersøke forholdet mellom masse, kraft og energiforbruk. For ˚a f˚a innsikt i forholdet mellom dem, ble ble det inkludert informasjon med form˚al om ˚a gi forst˚aelse av UAV-flygning, b˚ade med hensyn til regelverket som styrer disse operasjonene i Norge, men ogs˚a med hensyn til bevegelsene til et quadcopter gjennom luften. Dette ble oppn˚add ved inkludering av informasjon om quadcopter-kinetikk og kinematikk, der den kinetiske modellen beskriver effekten av krefter og dreiemomenter, og den kinematiske modellen beskriver quadcopterbevegelsen uten inkludering av krefter og dreiemomenter. Slik ble det oppn˚add forstelse rundt den konstante likevekten som er oppn˚add mellom krefter og dreiemomenter under reise med konstant hastighet, hilket er fundamentalt for denne modellen. Deretter ble det funnet en modell for strømforbruk ved ˚a bruke kunnskap fra ˚Arsandøy og andre for ˚a integrere masse i en allerede nyttig modell. De individuelle strømtapene ble forklart og formulert som funksjoner av masse og reisehastighet, for ˚a f˚a en fullstendig modell av de totale strømtapene som oppst˚ar under flyging. I tillegg til dette ble det inkludert uttrykk for strømtapene for individuelle lineære bevegelser som oppover, nedover og bortover flygning, samt. sveving. For ˚a f˚a forst˚aelse for sammenhengen UAV-operasjoner skjer i og reguleringene rundt emnet, ble reguleringene begrenset til de som gjelder i Norge, for ˚a opprettholde realisme og relevans. De ulike operasjonstypene og lisens-typene ble beskrevet. Disse ble ogs˚a inkludert fordi reguleringene kan vise seg ˚a være nødvendige for et eventuelt optimeringsproblem. Denne typen optimeringsproblem ble skissert og anvendt p˚a tre forskjellige case-studier. Resultatene fra studiene ble brukt til ˚a undersøke validiteten til modellen, forholdet mellom optimal hastighet og masse, og forholdet mellom masse og energiforbruk per avstandsenhet. Det ble funnet at modellen produserte resultater som var relativt like som forventet, og at masse oppfører seg nesten som en skaleringsfaktor for strømforbruket. I fremtiden ville det være gunstig ˚a gjøre mer testing av modellen i forskjellige scenarier, og implementere forbedringer i tilgjengeligheten av testdata for forskjellige UAV-modeller.

This thesis was written with the objective of examining the relationship between mass and power and energy consumption. In order to gain insight into the relationship between them, information was provided that was aimed to at providing an understanding of the intricacies of UAV flight, both with regards to the regulations which govern these operations in Norway, but also with regards to the movements of a quadcopter in flight. This was accomplished through inclusion of information on quadcopter kinetics and kinematics, where the kinetic model describes the effect of forces and torques, and the kinematic model describes quadcopter movement without inclusion of forces and torques. Through this, it was explained how the equilibrium that is present between the forces and torques affecting the UAV is essential to this model. Next, a power consumption model was found, using knowledge gained from ˚Arsandøy as well as others to incorporate mass into an already useful model. The individual power losses were explained and formulated as functions of mass and travel speed, in order to gain a complete model of the total power losses experienced during flight. In addition to this, these were used to express the power losses of individual linear movements like ascent, descent, horizontal flight and hovering. In order to gain an understanding about the context in which UAV operations happen, and the regulations surrounding the topic. The regulations were limited to the one applicable in Norway in order to maintain realism and relevance. The different operation types and licenses were described. These were also included because the regulations might prove to be essential as constraints for an eventual optimization problem. This type of optimization problem was outlined and applied to three different case studies. The results from the studies were used to examine the viability of the model, the relationship between optimal speed and mass, and the relationship between mass and energy consumption per distance unit. It was found that the model produced results that were in line with expected patterns, and that mass behaves almost like a scaling factor for power consumption. In the future, it would be beneficial to do more testing of the model in different scenarios and implement improvements in the availability of test data for different UAV models