Konstruktion av mekanisk anordning för utförande av test- och övningsflyg på en kvadrokopter

Testning av flygkontroller på en verklig kvadrokopter är en farlig och utmanande process eftersom kvadrokoptern kan krascha om flygkontrollern inte fungerar eller ifall operatören saknar flygerfarenheter. Den nuvarande lösningen är att montera kvadrokoptern i en mekanisk anordning som möjliggör testning av flygkontroller i säkra miljöer. Problemet med de befintliga testanordningarna är att de inte kan ge realistiska simuleringsförhållanden eftersom de i viss mån påverkar kvadrokopterns rörelse med följden att flygkontroller som utvecklas har begränsad grad av kontroll på kvadrokoptern. Syftet är att utforma en mekanisk anordning som ska ge möjlighet att både testa samt övningsflyga kvadrokoptern utan risk för personliga och materiella skador. Målet är att ta fram ritningar som ska kunna utgöra underlag för framtagning av en testprototyp. En litteraturstudie på befintliga testanordningar genomfördes som användes som underlag tillsammans med kvalitetshuset för att ta fram en kravspecifikation. Därefter genererades ett antal koncept som utvärderades med hjälp av beslutsmatris. Det valda konceptet modellerades sedan i CAD-programmet och utifrån den virtuella modellen konstruerades en verklig modell i trä som testades för att verifiera dess funktion. Resultatet är en fjäderbalanserad testanordning med sex frihetsgrader. Det är en konstruktion i aluminium innehållande en mekanisk arm som ger tre translationsfrihetsgrader, ett kulledsfäste som ger tre rotationsfrihetsgrader samt dragfjädrar för att tyngdkraftskompensera systemet. Testning av trä-modellen uppvisar att kvadrakoptern måste framföras i full fart för att styras tillsammans med armen eftersom friktionen mellan testanordningens leder är hög. Under förutsättning att friktionen mellan lederna kan hanteras verkar det att testanordningen uppfyller de ställda teoretiska förutsättningarna för att inte ha någon väsentlig påverkan på kvadrokoptern. Ändå kravs det kvalificerade tester innan något påstående att testanordningen inte påverkar kvadrokopterns rörelse och därmed kan ge realistiska flygsimuleringsförhållanden, ska kunna anges.Testing of autonomous flight controllers on a real quadrocopter is a dangerous and challenging process because the quadrocopter can crash in case the flight controller does not function properly or in case the operator has no flight experience. The current solution is to mount the quadrocopter on a teststand, which allow the testing of flight controller in safe environments. The problem with the existing teststands is that they cannot provide realistic free flight conditions as they, to some extent, affect quadrocopter’s movement. Consequently, the developed flight controller is partially able to control the quadrocopter. The purpose with this study is to design a mechanical device for use in testing and learning to fly a quadrocopter without the risk of crashing the flying model or harming the people involved. The goal is to provide drawings for developing a test prototype.In order to understand the problem a literature review of previous test devices was carried out. The findings from the literature review were used in combination with Quality Function Deployment technique to create a House of Quality and thus develop a set of engineering specifications. After that, a number of concepts was generated and then evaluated by Pugh’s method. The selected concept was modeled in the CAD-software and based on the virtual model, a real model made of wood was constructed and tested in order to verify the function of the testbed. The final result is a spring-balanced test device with six degrees of freedom. It is a structure consisting of a mechanical arm providing three translational degrees of freedom, a swivel joint with three rotational degrees of freedom and a set of extension springs to achieve gravity balancing. The experimental results from the wooden model shows that the quadrocopter is required to fly at full speed in order for it to operate with the arm due to the high friction between the joints. Under the condition that the friction between the joints can be managed, the test device seems to fulfill the theoretical requirements for simulating free flight condition. Nevertheless, it requires specialized and advanced testing before any assertion that the test device does not affect the dynamics of quadrocopter and thus it can provide completely realistic flight conditions, can be made