DronePort: Smart charging station for UAV vertical take-off

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaUm requisito fundamental para a autonomia energética de um veículo aéreo não tripulado (UAV) é o carregamento de baterias. Este processo é tipicamente supervisionado e controlado por um operador humano. Trata-se de um processo demorado que reduz o alcance operacional do sistema. De entre os clientes de UAVs encontram-se os clientes que usam redes de vigilância que procuram sistemas mais rápidos e autónomos e os clientes comuns que procuram evitar o aborrecimento associado à troca de energia. De forma a satisfazer os requisitos destes clientes é desenvolvido um sistema automatizado de recarga de baterias. Tendo por foco os UAVs de descolagem vertical, é realizada uma análise de vários conceitos que permitem colmatar a deficiência energética, como o uso de um cabo umbilical e plataformas de troca e recarga de baterias. Desta forma, é proposto uma plataforma de recarga de baterias de custo reduzido, autónoma e que possibilite uma variedade de UAVs. A plataforma é constituída por dispositivos de carregamento inteligente, sistemas de alinhamento mecânico, meios de comunicação com UAVs e com interfaces externas e por um sistema de energia fotovoltaica. Para além da plataforma também é proposto um sistema de gestão de baterias assim como a implementação de um sensor de posicionamento eficiente. Como desenvolvimento final, cria-se um software de monitorização para fins de demonstração de resultados. Este desenvolvimento origina resultados precisos e fiáveis, dando origem a um sistema robusto, capaz de albergar UAVs de 450 a 680 mm de diagonal com um peso de 3kg e tendo um custo reduzido, o que permite uma aterragem precisa e com total autonomia energética. Como trabalho futuro, poderá ser realizado uma estação de carga inteligente incorporando o trabalhado já desenvolvido, permitindo assim um aumento da segurança e versatilidade dos UAVs.The fundamental requirement of the self-sufficient energy for an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is the battery charging. This process is supervised and controlled by a human-operator, which represent a time-consuming process and decrease the operational range of the system. Among the UAV clients are the clients that use surveillance systems looking for faster and autonomous systems and the common clients seeking to avoid the hassle associated to the energy exchange. To achieve the UAV customers requirements is developed an automated battery recharge system.Focus on UAV vertical take-off is realised an analysis of several concepts allowing to rectify the energetic disability, like using an umbilical cord and platforms that allow you to exchange and recharge batteries. For this reason, is proposed a low cost and autonomous battery recharge platform and a platform that enables a variety of UAVs.This platform is composed by smart charging devices, mechanical alignment systems, means of communication with UAVs and external interfaces and by a photovoltaic energy system. In addition, is also proposed a battery management system and an implementation of an efficient positioning sensor.Lastly, is created a monitoring software with a purpose of demonstrating results. This work lead to precise and reliable results, giving rise to a robust system capable of accommodating UAVs from 450 to 680 mm diagonally with a weight of 3kg and with a low-cost price. The mentioned conditions allow a precise landing and full autonomy.For future work, could be realized a smart charging station incorporating the working already developed. This enables an increase of the security and versatility of the UAVs