Miehittämättömän ilma-aluksen suorituskyvyn optimointi ohjelmistokehityksen keinoin

Abstract

Autonomiset ja automaattiset ominaisuudet kulkuneuvoissa ovat yleistyneet huomattavasti teknologian yleisen kehityksen ohella. Modernit kulkuneuvot ilmassa, vedessä ja maalla sisältävät lähes poikkeuksetta automaattiohjausjärjestelmiä – tutummin autopilotteja – joiden tarkoituksena on optimoida niiden toimintaa, parantaa turvallisuutta ja vähentää inhimillisten virheiden riskiä. Nämä järjestelmät ovat monimutkaisia ohjelmistoja, joiden toiminta perustuu kulkuneuvon datan reaaliaikaiseen käsittelyyn, ja sen pohjalta toteutettuihin päätöksiin.

Opinnäytetyön aiheena oli tutustua miehittämättömiin ilma-aluksiin ja niiden automaattiohjausjärjestelmien ohjelmistokehitykseen. Tutustumisen kohteeksi valikoitui opinnäytetyön toimeksiantaja Lentola Logistics Oy:n tarpeesta ArduPilot-järjestelmä, joka on useille eri kulkuneuvoille autopilotteja sisältävä avoimen lähdekoodin ohjelmisto. Työn tavoitteena oli optimoida toimeksiantajan ilma-aluksen suorituskykyä ja vakauttaa sen toimintaa lennon eri vaiheissa muokkaamalla alusta ohjaavan järjestelmän lähdekoodia.

Työ toteutettiin perehtymällä ArduPilot-ohjelmistoon ja toteuttamalla siihen muokkauksia ohjelmistokehityksen hyviä käytänteitä noudattaen. Tehtyjä muokkauksia testattiin ensin simulaatio-ohjelmistoilla, ja onnistuneen simuloinnin jälkeen toimeksiantajan fyysisellä laitteistolla. Työssä tehdyillä muokkauksilla havaittiin olevan merkittävästi aluksen suorituskykyä ja turvallisuutta parantavia vaikutuksia.

Opinnäytetyön käytännön osuuden käsitteleminen vaatii tietoa useista eri osa-alueista, joten työn raportoinnissa huomiotiin tarve laajalle pohjustukselle. Työhön sisällytettiin kattava teoriaosuus antamaan lukijalle riittävä johdatus kaikkiin työlle olennaisiin osa-alueisiin.

The objective of this thesis was to research the development of autonomous control software for unmanned aerial vehicles (UAVs), specifically the open-source autopilot system ArduPilot. The aim was to optimise the performance, stability and safety of an unmanned tailsitter aircraft by modifying the source code of the embedded ArduPilot software.

The task was approached by thoroughly studying the ArduPilot system and source code, as well as the behavior of the aircraft. The code modifications were implemented according to best practices and tested within simulation software. Upon successful simulation, the modified software was validated on physical hardware.

The results showed significant improvements in the aircraft’s performance across multiple fields. The stability and predictability of the aircraft saw major improvements especially during the most high-risk stages of flight, coincidently having a positive impact on efficiency.

In conclusion, the aircraft saw more than adequate improvements in performance to consider the objective met. Aside from physical performance, the utilised programming methodology and practices left the software in an ideal state for further development.

The work was commissioned by Lentola Logistics Oy, a Finnish company focusing on using UAVs for logistical purposes, mainly in sparsely populated areas.