107
UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications By Ed Waugh A transfer thesis submitted for Engineering Doctorate progression FACULTY OF ENGINEERING,SCIENCE AND MATHEMATICS SCHOOL OF ENGINEERING SCIENCES 21 st September 2007

An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

UNIVERSITY OF SOUTHAMPTON 

 

 

An Unmanned Aerial Vehicle for 

Oceanographic Applications  

 

 

 

 

 

By Ed Waugh 

 

A transfer thesis submitted for Engineering Doctorate progression 

FACULTY OF ENGINEERING, SCIENCE AND MATHEMATICS 

SCHOOL OF ENGINEERING SCIENCES 

 

21st September 2007 

Page 2: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

ii 

 

 

 

 

Abstract Progress  is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the 

National Oceanography Centre, Southampton. Literature on the use of remote sensing 

in  ocean  science  is  examined  and  a  gap  identified  between  the  high‐resolution, 

infrequent  measurements  made  by  ships  and  the  wide  area  low‐resolution 

measurements  made  by  satellites.  The  commercial  UAV  market  is  summarised  and 

internal development has been selected as offering  lower‐cost and more  flexibility  in a 

potentially  higher  performance  vehicle.  Requirements  are  identified  and  a  low‐cost‐

robust design philosophy has been adopted for all aspects of the development.  

A new revision of the vehicle was designed, manufactured and manually test flown with 

some success but a lack of engine power means the propulsion system will need to be re‐

examined. A highly integrated Flight Control System based on Micro Electro Mechanical 

Systems  sensors  and  an  ARM  7  processor  has  been  developed.  The  prototype  Flight 

Control System was flown in the vehicle and flight data was recorded. This data was used 

to  assess  the  performance  of  the  vehicle.  Future work  is  identified  in  developing  the 

launch  system,  proving  software  robustness  and  developing  improved  actuation  for 

control surfaces. 

 

       

Page 3: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

iii 

 

 

 

 

Contents Abstract ................................................................................................................................................... ii 

Contents ................................................................................................................................................. iii 

List of figures ....................................................................................................................................... vii 

List of acronyms .................................................................................................................................. ix 

Chapter 1 ................................................................................................................................................. 1 

Introduction........................................................................................................................................... 1 

1.1  Research Context ............................................................................................................................... 1 

1.2  Summary ............................................................................................................................................... 2 

1.3  Novel contributions .......................................................................................................................... 2 

1.4  Report structure ................................................................................................................................ 3 

1.5  Project structure ................................................................................................................................ 3 

Chapter 2 ................................................................................................................................................. 7 

Literature review ................................................................................................................................. 7 

2.1  Introduction ......................................................................................................................................... 7 

2.2  Application ........................................................................................................................................... 7 

2.3  Existing Unmanned Aerial Vehicles ........................................................................................ 10 

2.3.1  Military ...................................................................................................................................... 10 

2.3.2  Commercial ............................................................................................................................. 11 

2.3.3  Academic .................................................................................................................................. 13 

2.3.4  Conclusions ............................................................................................................................. 13 

Page 4: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

iv 

 

2.4  Flight Control Systems ................................................................................................................. 14 

2.4.1  Commercial Systems ........................................................................................................... 14 

2.4.2  Hardware Component ........................................................................................................ 16 

2.4.3  Software Component ........................................................................................................... 19 

2.4.4  Payload Management .......................................................................................................... 20 

2.4.5  Conclusions ............................................................................................................................. 21 

2.5  Safety ................................................................................................................................................... 22 

2.6  Conclusions ....................................................................................................................................... 25 

Chapter 3 ............................................................................................................................................... 26 

System Design ..................................................................................................................................... 26 

3.1  Introduction ...................................................................................................................................... 26 

3.2  Approach ............................................................................................................................................ 26 

3.3  Modes of operation ........................................................................................................................ 26 

3.3.1  Mode 1 – Short range .......................................................................................................... 27 

3.3.2  Mode 2 – Deep Sea ............................................................................................................... 27 

3.3.3  Mode 3 – Traffic ..................................................................................................................... 27 

3.4  Flight conditions ............................................................................................................................. 28 

3.4.1  Cruise condition .................................................................................................................... 28 

3.4.2  Landing condition ................................................................................................................. 28 

3.4.3  Launch condition .................................................................................................................. 28 

3.4.4  Climb condition ..................................................................................................................... 28 

3.5  Conclusions ....................................................................................................................................... 29 

Chapter 4 ............................................................................................................................................... 30 

Airframe ................................................................................................................................................ 30 

4.1  Introduction ...................................................................................................................................... 30 

4.2  Aerodynamic development ........................................................................................................ 30 

4.3  Wind tunnel work .......................................................................................................................... 33 

Page 5: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

4.4  Engine development ..................................................................................................................... 35 

4.5  Manufacture ..................................................................................................................................... 37 

4.6  Systems integration ....................................................................................................................... 38 

4.6.1  Electrical system ................................................................................................................... 38 

4.6.2  Battery specification ............................................................................................................ 39 

Chapter 5 ............................................................................................................................................... 40 

Flight Control System ....................................................................................................................... 40 

5.1  Introduction ...................................................................................................................................... 40 

5.2  Approach ............................................................................................................................................ 41 

5.3  Design .................................................................................................................................................. 45 

5.3.1  Pressure sensing ................................................................................................................... 46 

5.3.2  Layout ........................................................................................................................................ 47 

5.4  Results ................................................................................................................................................. 48 

5.5  Conclusions ....................................................................................................................................... 50 

Chapter 6 ............................................................................................................................................... 52 

Instrumented Flight Test ................................................................................................................ 52 

6.1  Introduction ...................................................................................................................................... 52 

6.2  Performance analysis ................................................................................................................... 52 

6.3  Conclusions ....................................................................................................................................... 54 

Chapter 7 ............................................................................................................................................... 56 

Payload Management ....................................................................................................................... 56 

7.1  Introduction ...................................................................................................................................... 56 

7.2  Detailed requirements definition ............................................................................................ 56 

7.3  Design .................................................................................................................................................. 58 

7.3.1  Physical size ............................................................................................................................ 58 

7.3.2  Voltage support and low power consumption ......................................................... 59 

7.3.3  Analogue measurement ..................................................................................................... 60 

Page 6: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

vi 

 

7.3.4  Serial interfaces ..................................................................................................................... 60 

7.3.5  Driving high power devices .............................................................................................. 60 

7.3.6  High pressure survivability .............................................................................................. 60 

7.4  Results ................................................................................................................................................. 61 

7.4.1  Analogue performance ....................................................................................................... 61 

7.4.2  Power consumption ............................................................................................................. 63 

7.4.3  High pressure survival ....................................................................................................... 63 

7.5  Conclusions ....................................................................................................................................... 63 

Chapter 8 ............................................................................................................................................... 65 

Conclusions and Future work ....................................................................................................... 65 

8.1  Introduction ...................................................................................................................................... 65 

8.2  Conclusions ....................................................................................................................................... 65 

8.3  Vehicle ................................................................................................................................................. 66 

8.4  Flight Control System ................................................................................................................... 66 

8.5  Robustness and redundancy in surfaces .............................................................................. 67 

8.6  Planning ............................................................................................................................................. 68 

References ............................................................................................................................................ 70 

Appendix 1 ............................................................................................................................................... i 

Appendix 2 ............................................................................................................................................. ii 

Appendix 3 ............................................................................................................................................ iii 

Appendix 4 ............................................................................................................................................ iv 

Appendix 5 .............................................................................................................................................. v 

 

 

   

Page 7: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

vii 

 

 

 

 

List of figures  

Figure 1.1 ‐ NERC research vessel James Cook berthed outside the NOC ............................. 1 

Figure 1.2 ‐ Project responsibilities and relationships ........................................................... 5 

Figure 1.3 ‐ Overview of project timeline ................................................................................ 6 

Figure 2.1 ‐ Seascan UAV being recovered (left) and ready for launch (right) ................... 12 

Figure 2.2 ‐ UAV Navigation AP04 (left) Cloud Cap Piccolo II (right) ................................ 15 

Figure 2.3 ‐ Diagram of FCS main components .................................................................... 17 

Figure 4.1 ‐ NOC UAV mark 1 ................................................................................................. 31 

Figure 4.2 ‐ Artists rendering of NOC UAV mark 2 design ................................................. 32 

Figure 4.3 ‐  Design differences between mark 1 and mark 2 .............................................. 33 

Figure 4.4 ‐ Wind tunnel results L/D .................................................................................... 33 

Figure 4.5 ‐ Wind tunnel results, flaps .................................................................................. 34 

Figure 4.6 ‐ Honda GX25 specifications................................................................................ 36 

Figure 4.7 ‐ Honda GX25, power v.s. fuel consumption ...................................................... 37 

Figure 5.1 ‐ FCS interfaces to the UAV and ground station ................................................. 40 

Figure 5.2 ‐ Comparison of FCS options ............................................................................... 44 

Figure 5.3 ‐ Component selections for FCS .......................................................................... 46 

Figure 5.4 ‐ Absolute pressure sensing converter design .................................................... 47 

Figure 5.5 ‐ FCS layout ........................................................................................................... 48 

Figure 5.6 ‐ Flight Control System ........................................................................................ 49 

Figure 5.7 ‐ Results of FCS sensor testing ............................................................................. 49 

Figure 5.8 ‐ FCS feature list ..................................................................................................... 51 

Figure 6.1 ‐ Speed (red) and RPM (blue) ............................................................................... 53 

Figure 6.2 ‐ Speed (red) and Altitude (blue) ........................................................................ 54 

Figure 7.1 ‐ Sensors Group Data Logger v1.1 specificatons ................................................... 57 

Figure 7.2 ‐ UAV sensors and interconnections ................................................................... 58 

Page 8: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

viii 

 

Figure 7.3 ‐ Technical drawing of SGDL v1.2 ........................................................................ 59 

Figure 7.4 ‐ Voltage reference measurement at 4.6 kHz ..................................................... 62 

Figure 7.5 ‐ Voltage reference measurement at 1.7 kHz ...................................................... 63 

Figure 8.1 ‐ Actuator failure diagram .................................................................................... 68 

Figure 8.2 ‐ Steering group members .................................................................................... 69 

 

   

Page 9: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

ix 

 

 

 

 

List of acronyms  

ADS/B  Automatic Dependent Surveillance/Broadcast 

CAA  Civil Aviation Authority 

CPU  Central Processing Unit 

CTAS  Converging Traffic Alert System 

DC  Direct Current 

DCDC  Direct Current to Direct Current 

FCS  Flight Control System 

FPU  Floating Point Unit 

GPS  Global Positioning System 

INS  Inertial Navigation System 

NERC  Natural Environment Research Council 

NOC  National Oceanography Centre, Southampton 

PID  Proportional, Integral, Differential 

PDF  Proportional, Derivative, Feedback 

RADAR  RAdio Detection and Ranging 

RAM  Random Access Memory 

ROM  Read Only Memory 

RTOS  Real Time Operating System 

SGDL  Sensors Group Data Logger 

TCAS  Traffic Collision Alert System 

UAV  Unmanned Aerial Vehicle 

   

   

 

Page 10: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

 

 

 

Chapter 1 

Introduction 

1.1 Research Context 

The  National  Oceanography  Centre,  Southampton  (NOC)  is  the  focus  for  the  UK’s 

oceanographic  activity,  performing  research  into  chemical,  geological  and  biological 

processes in the world’s oceans. This research involves simulation, sampling and indirect 

measurement using satellites. Sampling and in situ analysis of the deep ocean is usually 

done  onboard  the  Natural  Environment  Research  Councils  (NERC)  research  ships 

(Figure 1.1) or using automated buoys, underwater vehicles or floats.  

 

Figure 1.1 ‐ NERC research vessel James Cook berthed outside the NOC 

 

Page 11: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

The scientists working at the NOC want to measure the ocean for more parameters, at 

greater spatial and temporal resolution in the most time efficient manner possible. One 

of  the  most  expensive  aspects  of  ocean  research  is  the  use  of  research  ships.  Ship 

operations can be made more effective by using satellite data to direct the vessel to areas 

of interest. Although, as will be shown in section 2.2 this is not always ideal. This project 

aims  to  characterise  an  established  need  for  an Unmanned  Aerial  Vehicle  (UAV)  to 

enhance research ship operations (Chapter 2) and then develop an appropriate system. 

1.2 Summary 

A vehicle has been designed to suit the requirements of ocean research. This design has 

a range of > 1000 km and a prototype has been manufactured for flight‐testing (Chapter 

4).  Initial  flights have  shown  the design  to be underpowered when climbing although 

otherwise operating well. A new hardware autopilot has been designed and a prototype 

manufactured (Chapter 5), this has been used to record a  large amount of data during 

flight‐testing. A new  revision of  the Sensors Group Data Logger has been designed  to 

support  UAV  payload  control  and  improve  performance  for  chemical  sensor  control 

(Chapter  7).  This  will  satisfy  the  requirements  of  the  primary  (oceanographic) 

application and provide a useful platform for wider UAV research currently in progress 

at the University of Southampton. 

Remaining work  includes  developing  the  vehicle  for  ship  operations,  completing  the 

low‐level software for the flight control system and performing robustness proving. It is 

also hoped to develop a custom smart actuator for the flap system (Chapter 8). 

1.3 Novel contributions 

This multidisciplinary project is application focused and is concerned primarily with the 

development and construction of high performance functioning prototypes that together 

constitute  a novel  system  (no  comparable  research  or  commercial UAV  system  exists 

(see sections 2.3 and 2.4). System and component‐level novel contributions include: 

1. The design,  construction, and  test of a  long‐range,  low‐cost, UAV airframe  for 

ship based oceanographic applications (Chapter 4) 

Page 12: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

2. The design, construction and test of a low‐cost, robust and potentially certifiable 

autopilot with health monitoring  functionality and black box  recording  system 

(Chapter 5) 

3. The  design,  construction  and  test  of  a  generic  low‐cost,  high  performance 

logging and control electronics suitable  for UAV and  in situ deep sea operation 

(i.e. at high (<60MPa)  ambient pressure) (Chapter 7) 

1.4 Report structure 

This report  is split  into sections relating to the areas of work undertaken. Much of the 

work was carried out in parallel. Chapter 1 provides an overview of the work completed 

to date and describes the long‐term timeline and the relationship of this project to the 

others associated with the NOC UAV project. 

Chapter  2  is  a  review  of  the  literature  related  to  the  application  of  a  UAV  to 

oceanography,  existing  vehicles,  control  systems  and  the  safety  aspects  of  operating 

unmanned vehicles. Chapter 3 uses the conclusions from the literature review to define 

the  requirements  for  the whole  vehicle.  Chapter  4  describes  the  development  of  the 

airframe  and  propulsion  system  including  aerodynamic  and  structural  work.  The 

development of  the Flight Control  System  (FCS)  is described  in Chapter  5. Chapter 6 

describes instrumented flight tests of the airframe (under manual control) using the FCS 

as  a  black  box  recorder.  Chapter  7  describes  the modifications made  to  the  Sensors 

Group  Data  Logger  to  make  it  appropriate  for  use  in  the  UAV.  Chapter  8  draws 

conclusions  on  the  progress  made  so  far  and  identifies  the  direction  of  the  future 

research. 

1.5 Project structure 

The  project  has  two main  streams  both  led  by  engineering  doctorate  students,  the 

hardware development stream including vehicle structure, aerodynamics and electronics 

and the software development stream including simulation and algorithm optimisation. 

These  are  supplemented  by  undergraduate  projects  in  aerospace,  materials  and 

electronics. The undergraduate projects are targeted at work not in the critical path for 

the project,  these  independent units allow  the students  to pursue  their own  ideas and 

Page 13: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

develop their own solutions. This work is then evaluated by the doctorate students and 

the  supervisory  team  for  inclusion  in  the  project.  The  distribution  of  work  between 

streams is shown in Figure 1.2. 

The  long‐term aim of  the project  is  to begin  flight  trials  from a  research vessel  in  the 

autumn of 2009. The timeline for the project is shown in Figure 1.3.  

 

 

Page 14: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

Figure 1.2 ‐ Project responsibilities and relationships 

Flight Testing

Project planning

Propulsion

Ed WaughEngD

Development of a UAV for oceanographic

applications

Matt Bennett EngD

Development of software algorithms for

a low-cost UAV

Hardware

Software

Aerodynamics

Structures

Fourth yearGDP

Aerospace, mechanical and electronics

undergraduate students

Flight Control System - Requirements definition - Component selection - Physical board designPayload Management - As flight control system

Flight Control System - Modification and repair of ONavi autopilot - Integration of cameraPayload Management - Supervision of GDP group

Payload Management - Integrate with sensors and vehicle

Flight Control System - Structural design - Low-level codePayload Management - Library development

Flight Control System - State estimation - Control - Navigation

Payload Management - Develop preliminary code

- Requirements definition - Supervision of fourth year students - Experiment design

- Computational fluid dynamics - Aerodynamic optimisation - Operation of wind tunnel

- Requirements definition - Fuselage and non-aerodynamic design - Supervision of fourth year students - CAD modelling - Design tracking - Mould design and manufacture

- Modelling for simulation

- Strength modelling (FEA) - Manufacture of components - Integration of tail surfaces

- Requirements definition - Supervision of fourth and third year students - Characterisation experiment design and setup - Fuel system design

- Modelling for simulation - Engine characterisation experiments

- Long term, whole project planning - Planning own work - Assisting in proposal writing - Creating project specifications for student groups

- Planning own work - Developing a schedule based on the project specification

- Scheduling - Preparation of all aspects - Experimental design - Aircraft setup - Organisation on site

- Flying test vehicle

Page 15: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

Figure 1.3 ‐ Overview of project timeline 

 

 

 

   

2004 2009

Ele

ctro

nics

GD

PM

att B

enne

ttE

ngD

Four

th Y

ear

GD

PTh

ird Y

ear

Indi

vidu

alE

d W

augh

Eng

D

Development of manufacturing

techniques

Aerodynamic testing of new

designTail redesign

Payload management

system

Flight control hardware

development

Test hardware development State estimation Control

algorithms

Advanced control and flight planning

Design of new hardware system

Implementation of new hardware

system

Vehicle integration and actuator development

Development for use at sea Flight trials at sea

Engine characterisation

Wing manufacture and

structure

Note: Year boundaries are academic years starting October 1st

2005 2006 2007 2008

Page 16: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

 

 

 

Chapter 2 

Literature review 

2.1 Introduction 

Literature is examined to inform design decisions and generate the requirements for the 

project. The current application of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to ocean sensing 

is  investigated  and  new  areas  are  identified.  This  information  is  used  to  generate  an 

outline  specification  for  the  vehicle  and  then  a market  survey  is  performed  to  find  a 

suitable commercial system.  

2.2 Application 

As part of the continuing programme to enhance measurement techniques, the National 

Oceanography Centre,  Southampton  (NOC),  commissioned  a of  study  into  the use of 

UAVs in oceanography [1]. There have also been studies by Lomax [2] and Peterson [3]. 

These indicate a gap between high‐resolution direct measurements at sea and wide‐area 

but  low‐resolution  satellite measurements. They  suggest  this  gap  could  best  be  filled 

with an airborne platform. 

The most  common ocean parameters measured by  satellites  are;  surface  temperature, 

using infrared and microwave radiometers [4, 5] and colour using panchromatic cameras 

[6].  It  is  also  possible  to  measure  wind  speed  and  surface  roughness  by  adding  a 

scatterometer  [2].  Imaging  resolution  from  new  satellites  has  improved  to  3metres 

resolution  for  colour  images;  however,  the  sensing  equipment  available  to 

Page 17: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

oceanographic  research  is  more  normally  around  15‐90  metre  resolution.  Using  an 

airborne vehicle allows much higher resolutions (0.2 m and less [2]) due to the proximity 

of the sensor to the ocean. There is also a great deal more flexibility, the sensor can be 

upgraded or filters applied to improve performance, which is not possible with a satellite 

[3]. 

The most useful satellite systems  for oceanographic sensing are  in a  low polar orbit as 

this allows the whole surface of the earth to be scanned as it rotates under the satellites 

path  [3].  These  satellites  pass  over  the  same  area  approximately  four  times  each  day 

allowing the tracking of changing systems. However, the onboard  infrared radiometers 

and  panchromatic  cameras  are  unable  to  penetrate  cloud,  leading  to  very  poor 

performance in conditions other than clear skies. New microwave radiometry techniques 

can  measure  sea  surface  temperature  in  all  weather  conditions  except  rain  [7].  An 

airborne vehicle  is able  to  fly under  the cloud base and  stay on  station  in  the area of 

interest  to  take  frequently  repeated measurements.  This  offers  significant  advantages 

when monitoring a rapidly changing system. 

Manned  aircraft have  a number  of  serious  limitations  for  oceanographic  applications. 

They are too large to launch from a research ship and would have to fly from a land‐base 

close  to  the  area  of  interest.  This  would  reduce  time  on  station  and  would  create 

significant cost and  logistics  issues. There would also be a  long  start‐up  time  for each 

mission.  In addition, mission  length  is determined by  the crew who can only work  for 

eight‐hour periods, operation in shifts is at the penalty of reduced range or payload, or 

increased mission cost. Lomax and Pluck et al both conclude  that UAVs offer  the best 

solution due to their flexibility, potentially smaller size and lower cost [1, 2]. 

Several medium‐scale applications such as plankton bloom monitoring where the area of 

interest  is  hundreds  to  thousands  of  kilometres  in  size,  could  be  enhanced  by  the 

improved  temporal and  spatial  resolution offered by a UAV. Features  this  large would 

require an aircraft with a range in excess of 1000 km and the ability to travel fast enough 

to view large areas. 

In some cases, existing sensor technology can be directly applied to oceanographic UAV 

operations  without  modification.  Sea  colour  could  be  measured  with  panchromatic 

cameras  (e.g.  Nikon  D200  [8]  (£800))  with  a  suitable  vibration‐reducing  mount.  A 

Page 18: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

gimballed  mounting  may  offer  advantages.  Alternatively  recording  the  aircraft’s 

orientation would allow the image location data to be corrected with post‐processing. 

Infrared  imaging  packages  suitable  for  small  UAVs  are  commercially  available.  The 

Photon from Indigo Systems [9] measures less than 10 cm in its longest dimension and 

weighs under  300  grams. Fitted with  a  14.5 mm  lens  it has  a pixel  size of one  square 

metre  from  a  200‐metre  altitude. The  camera  captures  7  to  13.5  µm wavelengths  and 

translates them to an analogue video signal that would require calibration before using 

to measure absolute temperature. 

 White  capping  and wave  height  data  is  of  interest when  investigating  the  chemical 

exchange  of  the  ocean  and  the  atmosphere. Measuring white  capping  could  be  done 

with  the  panchromatic  imagery  and  wave  height  data  could  be  measured  using  a 

miniaturised RADAR system or by deploying small buoys [10, 11]. The micro‐sized wave 

buoy from Planning Systems Inc [11] can be deployed at altitude and at only 5 cm  long 

could easily be carried by a small UAV. The system has been test deployed by a manned 

aircraft [10] and the average wave period measured showed a good correlation with the 

baseline system used. 

Even with a relatively small set of parameters that can be measured with commercially 

available  sensors;  a  suitably  equipped UAV would  provide  useful  data  on  a  range  of 

oceanographic  variables. As well  as  providing  data  in  its  own  right,  one  of  the most 

useful modes of operation of a UAV could be  in supplementing the work of a research 

vessel. This would involve tracking ahead of the vessel to allow its research to be more 

accurately directed to areas of interest. 

Such a UAV could also be applied to disaster monitoring as well as research. Tracking of 

oil  spills,  harmful  algae  blooms  [12]  or  other  contaminant  would  allow  protective 

measures  to  be  applied more  effectively  and  swiftly  by  recovery  crews. The  ability  to 

deploy  the  vehicles  rapidly  would  allow  imagery  to  be  taken  in  advance  of  the 

contaminant reaching coastal areas. This could then be used after the incident to direct 

clean‐up crew activities.    

To be most effective an oceanographic UAV would need to be launched and recoverable 

from a typical ocean research vessel. This limits the size of the vehicle to something that 

could be dismantled to fit inside a standard shipping container (6.5 m x 2.5 m x 2.5 m). 

To be considered cost effective any vehicle would need to be of a value equivalent to the 

Page 19: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

10 

 

 

 

research  it  is able to perform. A NERC research vessel costs around £15,000 to run per 

day, a UAV operating to enhance this research would need to cost less than this taking 

into account the potential for losing the vehicle during recovery. 

The  application  of  a  UAV  to  oceanographic  research  can  supplement  and  enhance 

existing programs  of  ocean  research  as well  as providing  support  to disaster  recovery 

operations.  Such  a UAV would  need  to  be  able  to  carry  a  scientific  payload  of  small 

instruments  that  could be varied depending on  the mission  to be  flown. To  carry  the 

infrared and panchromatic cameras described would require a volume of 3  litres and a 

mass of 500 g. 

It  would  also  need  to  be  operated  from  a  typical  research  vessel.  This  will  involve 

handling the vehicle on deck and transporting it to and from the ship as well as launch 

and  recovery.  To  be  cost  effective  such  a UAV would  need  to  be  under  £15,000  per 

vehicle and per day including staff costs and the possibility of loss during recovery. This 

means the capital cost of each UAV should be no more than £5,000. 

2.3 Existing Unmanned Aerial Vehicles 

2.3.1 Military 

The most well known UAV is arguably General Atomics Predator B [13], which has been 

used  (and  filmed  in  operation)  extensively  in military  applications  for  reconnaissance 

and weapons deployment  [14]. A 20m wingspan and one and a half  tonnes of payload 

make  this  one  of  the  largest UAVs  available  and  therefore  too  large  to  operate  from 

research vessels. However, the long endurance of 30+ hours, high level of autonomy and 

robustness would otherwise make this a good choice for a research vehicle, allowing the 

largest instruments to be carried, along with possibly hundreds of deployable buoys. The 

Predator  is available  in an unarmed version called Altair; estimates of cost are around 

£4,000,000 per vehicle. 

 The  Pioneer  UAV  has  been  used  extensively  by  both  the  US  army  and  navy  for 

reconnaissance. It is a relatively short‐range vehicle (180 km) with an endurance of just 5 

hours although  it does carry a  large payload of moveable cameras. The vehicle can be 

ship launched using rocket or catapult but it is very large (205 kg) with a wingspan of 5 

metres making it difficult to accommodate on a small vessel. There have also been some 

Page 20: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

11 

 

 

 

problems reported with pioneer [15], its inability to operate in rain would severely limit 

its use as a research vehicle and the lack of automated take‐off and recovery has led to a 

high accident rate. 

The Insitu group ScanEagle [16] is the military variant of the SeaScan described in detail 

section 2.3.2.  

One of the smallest UAVs in regular use by the US military is the AeroVironment Raven 

[17]. This  is  a hand  launched, electric powered UAV weighing  just 2 kg.  Its  small  size 

would make  launch  and  recovery  at  sea  relatively  easy  as  the  whole  vehicle  can  be 

handled by one person. However, it is limited to a range of just 10 km and cannot carry a 

payload beyond the fitted cameras. The cost per vehicle is around £17,000. 

Military UAVs are designed to perform a specific task regardless of cost. This generally 

makes them unsuitable for use in a commercial environment. Some make the transition 

from commercial to military, like the SeaScan (described in section 2.3.2); however, most 

will  never  be  a  viable  proposition.  The  Predator  and  Pioneer  are  both  to  large  and 

expensive to be suitable, the Raven is too small and limited in range. The small seaplanes 

that  have  been  demonstrated  [18]  are  unable  to  operate  in  the  heavy  conditions 

anticipated.  

2.3.2 Commercial 

There are several UAVs now for sale aimed at a variety of markets from advanced hobby 

aircraft  pilots  through  to  off  the  shelf  systems  including  crew  to  perform  specific 

missions. The Micropilot MP‐UAV [19] is based on a trainer aircraft for hobby pilots and 

includes a basic flight control system. It is a very low‐cost system at £6,000 including a 

ground station and radio link. However, its flight endurance is only 20 minutes and due 

to its balsa construction, would be unlikely to survive in adverse weather conditions, it 

would also be very difficult to make waterproof.  

The most well known commercial UAV is the Aerosonde; it is a 3‐metre wingspan, 14 kg 

pusher  configuration designed primarily  for  the barometric measurement.  It has been 

successful  in operations  in  the Arctic  as well  as  flying  across  the Atlantic  and has  an 

endurance of over 50 hours. If required it is possible to purchase operational time rather 

than your own aircraft. This includes all the personnel and equipment necessary at £300 

‐>  £600  per  flight  hour  for  a  four‐week  mission.  To  purchase  a  complete  system 

including four aircraft is £410,000. 

Page 21: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

12 

 

 

 

The  Insitu  group  SeaScan  is  a UAV  designed  specifically  for  operation  at  sea  [16].  It 

includes a catapult launch and a wire recovery system (Figure 2.1). The vehicle has very 

long endurance at over 22 hours and only a 3‐metre wingspan. It can carry payloads of 

up  to 6 kg  and  includes  an  inertial  stabilised  camera  turret. Three  vehicles,  a  control 

centre, launcher, capture system and training is around £650,000. 

 

Figure 2.1 ‐ Seascan UAV being recovered (left) and ready for launch (right) 

Launching  a UAV  from  a  ship,  as  in  the  case  of  the  SeaScan,  is  usually  done with  a 

catapult or other system that allows it to be accelerated quickly to flight speed. However, 

the  ability  to  launch  from  the  sea  could offer big  advantages  to oceanographic  study. 

Launch and  recovery are  simplified along with gaining  the ability  to  land at a distant 

point, collect a sample and  then  launch and return  to  the ship. NASA have conducted 

experiments with a  seaplane  [20]  intended  for use as an unmanned cargo carrier. The 

vehicle  operated  successfully  but  only  in  very  calm  conditions.  The  Gull  UAV  from 

Centaur Systems [21] has also demonstrated launching from the sea surface, also in calm 

conditions.  It  is  likely  that a  research vessel operating  in  the open ocean would  rarely 

encounter the sea states in which these vehicles can operate. 

Advanced Ceramics Research in the US have developed the Manta B UAV [22], this is a 

pusher  configuration with  an  all‐up‐mass  of  23  kg  and  6‐hour  endurance  at  30 ms‐1 

giving  a  range  of  approximately  600  km.  The  package  includes  three  vehicles  with 

autonomous operation, a pneumatic launcher, spares and training for £200,000.  

The MLB Bat UAV [23] features 6‐hour endurance, 180‐mile range, with a 2 Kg payload 

and only a 2‐metre wingspan. The avionics package also includes the ability to track and 

follow road convoys as well as autonomous bungee powered launch. At only £25,000 for 

Page 22: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

13 

 

 

 

the basic package  including  launcher,  ground  station  and  training  this would make  a 

suitable  platform  from  which  to  develop  a  waterproof  version  capable  of  the  water 

landings required. 

Commercial UAVs are now of a quality that makes them appropriate  for adaptation to 

suit  the  specific  requirements  of  oceanographic missions. However, many  are  still  far 

from economically viable  for operation  from a research vessel (see section 2.1). Despite 

its relatively short range, the closest is the MLB Bat UAV. If the advanced package was 

selected (£50,000) and a couple of vehicles were included, it would be necessary for each 

vehicle  to  survive  five  flights with  only minor  repairs.  It  is  unlikely  that  the  engines 

would survive landing in seawater although spares could be sourced independently. The 

main disadvantages of a bought  in system  is the high replacement cost and the  lack of 

configurability. This could become  limiting as more complex and unusual missions are 

required. 

2.3.3 Academic 

Many academic  institutions are now running UAV projects. Most of these are  focussed 

on  the development of advanced  flight control algorithms  including cooperative  flight 

[24]  and  distributed  control  [25].  The majority  of  the  vehicles  used  are  off‐the‐shelf 

hobby aircraft that serve only as a taxi for the electronics payload. This type of vehicle is 

unsuitable for use in oceanographic research as they are usually too small, too flimsy and 

have  short  flight  durations.  No  academic  institutions  are  currently  attempting  to 

develop what is essentially a commercial vehicle targeted to a specific application and as 

such, are not a good model for this project. 

2.3.4 Conclusions 

The high  cost of military  grade  vehicles makes  them  inappropriate  for oceanographic 

research due  to  the  low vehicle cost necessary  (see  section 2.1). Academic vehicles are 

usually too simple and perform too poorly to be useful at sea and for the long duration 

missions that will be required. Of the commercial vehicles, the Bat UAV is the closest fit 

with the requirements especially if several vehicles were supplied for the £50,000 initial 

cost,  although,  it  would  still  require  a  large  amount  of  customisation  to  suit  the 

environment.  

Developing  the  vehicle  internally  not  only  allows  tight  control  of  our  vehicle  (our 

primary objective) but also allows the design to be tailored to the application from the 

Page 23: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

14 

 

 

 

start. Access  to wind  tunnel  and  computer  cluster  facilities  allow  a  highly  optimised 

design  to  be  developed  that  can  compete  on  range  and  endurance  with  the  best 

commercially available vehicles. The experience gained while developing the vehicle will 

also  be  invaluable  when  it  comes  to  deployment  and  predicting  performance  in 

challenging weather conditions. 

2.4 Flight Control Systems 

2.4.1 Commercial Systems 

Flight Control Systems (FCSs) are supplied with all of the commercial UAVs described in 

section 2.3. These all offer the basic functions required to stabilise a fixed wing UAV and 

perform  waypoint  based  navigation  using  GPS  waypoints.  They  can  be  purchased 

separately so if a custom airframe were developed it would still be possible to make use 

of an off‐the‐shelf control system, substantially reducing development time. 

The most common FCS amongst the commercial UAVs is Cloud Caps Piccolo range, now 

at version 2 (shown  in Figure 2.2). The system  includes high  frequency (4 Hz) GPS, an 

Inertial Measurement  System  (IMS) with  external magnetometer  option,  autonomous 

launch and  landing, a wide range of  interfaces and weighs only 233 grams. The Piccolo 

FCSs have  flown many hours  in  the Aerosonde UAV  and  there  are  links between  the 

companies as  the  two systems were originally developed  together[26].  It has also been 

used  by  a  number  of  university  projects,  successfully  piloting  a  range  of  different 

airframes  [24, 27] and  in cooperative  flying  [28]. The Piccolo  is  reported  to be  reliable 

and easy to configure in all cases. A single Piccolo II is £4,000 with an additional £4,700 

for  the ground station and £500  for  the developer kit. The cost of each Piccolo  is very 

high when compared to the required total vehicle cost of £5,000 established  in section 

2.1, there would need to be a high confidence of safe recovery if a system this expensive 

was used. 

Blue  Bear  Systems  [29]  have  recently  developed  a  miniaturised  FCS  that  includes 

stabilisation functions and has considerable processing power available to the end user. 

It is designed to fit into very small UAVs and has an open architecture allowing access to 

the software. It is likely that this system would require some additional development to 

make  it  appropriate  for  use  in  oceanographic  research,  as  it  is  not  supplied  in  any 

enclosure.  The  system  is  supplied  at  £1000  per  unit  where  the  base  station  is  an 

Page 24: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

ad

of

ha

us

ex

Th

te

re

fo

re

re

Th

N

pr

fa

sh

ha

is 

Cr

w

fa

sy

dditional co

f its use are 

ardware, wi

se of a Real 

xpensive to 

he Micropil

echnical  spe

eport proble

or the basic 

eported poo

eliability. 

he  AP04  fl

avigation  [3

rocessors  an

ailures  and 

hockproof h

as not been 

 expect that

rossbow  Ine

ith an autop

amily  is  the

ystem  that o

ost. It is diffi

 from Blue 

ith a large p

 Time Oper

 develop (se

lot MP2028

ecification  i

ems configu

 board  inclu

r performan

Figure 2.2 ‐

light  contro

31].  In  addi

nd  softwar

  single  fail

housing mak

 possible to 

t it would be

ertial  System

pilot family

e NAV420  t

 outputs  ine

icult to rate

 Bear, this is

processor fed

rating System

e section 5.2

8  is widely 

  s  similar  to

uring it and 

uding no ra

nce, make it

 UAV Naviga

ol  system  s

ition  to  flig

e  algorithm

lure  of  any

kes it a suit

 obtain a qu

e similar in 

ms  [32]  sup

y that uses t

that  incorpo

ertial data. T

 

 

e the perform

  s probably b

d with sens

m (RTOS). 

2). 

  used  by  ac

o  the other 

 in its flight

adio  link or 

t a risky cho

ation AP04 (le

shown  in  F

ght  control 

ms  that  allo

y  sensor.  T

table choice

uote for the 

 price to the

pplement  th

 their sensor

orates  sens

 This can  th

mance of th

 because it i

sor data by a

 This makes

ademic  pro

 products d

t performan

 compass. T

oice for a pr

eft) Cloud Ca

Figure  2.2 

  and  naviga

ow  (in  som

This  comb

e for operati

 AP04 altho

e Piccolo II. 

heir  range 

rs. The most

ing  and  ine

hen be custo

his system as

  s relatively 

 a microcont

s the system

ojects  due  t

described he

nce [30]. Th

The age of t

roject aimin

ap Piccolo II 

has  been  d

ation,  the  A

me  cases)  f

ined  with 

ion in hosti

ugh one ha

 

  of  inertial m

t appropriat

ertial  algori

om program

s the only e

 new. The d

troller, requ

m more diffi

to  its  low‐co

ere but  som

he MP2028 i

 this product

ng for a high

(right) 

developed  b

  AP04  featur

for  multiple

  a  waterpro

ile environm

s been requ

 measureme

te system fr

ithms  to  pr

mmed altho

15 

xamples 

design of 

uires the 

cult and 

ost. The 

me users 

 is £2,700 

t and  its 

h level of 

 

  by  UAV 

res  dual 

e  sensor 

oof  and 

ments. It 

uested. It 

nt  units 

rom this 

rovide  a 

ough  the 

Page 25: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

16 

 

 

 

inertial  algorithms  are not  retained  and would need  to  be  rewritten. An  open  source 

project  does  exist  although  this  is  far  from  complete.  At  £4,500,  the NAV420  is  the 

majority  of  the  budget  for  the  whole  UAV  and  does  not  include  any  flight  control 

software. 

Using an off‐the‐shelf FCS would significantly reduce the development time of the UAV. 

The  Crossbow  and  UAV  Navigation  systems  are  designed  to  survive  in  harsh 

environments and the Cloud Cap systems have extensive  flight time. The cost of these 

systems,  however,  is  prohibitive when  compared  to  the  £5,000  vehicle  cost  required, 

especially  when  the  hardware  they  contain  is  itself  quite  low‐cost.  They  are  also 

inflexible compared to a fully custom system as no hardware changes could be made to 

accommodate  new  features.  These  considerations  combined  with  the  electronics 

experience in the group make it advantageous to develop a system internally. 

2.4.2 Hardware Component 

All the FCSs examined use the same type of measurements to control the aircraft. They 

sense rotation with gyroscopes and acceleration with accelerometers each in three axes. 

This is supplemented by dynamic pressure for airspeed, static pressure for altitude and a 

GPS  to  provide  positional  drift  correction.  In  some  systems, magnetic  sensing  is  also 

included, which can give redundancy for speed and heading measurement (if there is no 

wind) or provides true heading (as opposed to ground track) and allows the estimation 

of wind speed and direction if winds are present. Figure 2.3 shows the main components 

of a FCS. 

 

Page 26: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

17 

 

 

 

 

Figure 2.3 ‐ Diagram of FCS main components 

The  development  of  low‐cost  Micro‐Electro‐Mechanical  Systems  (MEMS)  inertial 

sensors  has  been  the  enabling  technology  for  small  UAV  systems.  Traditional  Fibre 

Optic Gyroscope  (FOG) based  IMUs offer exceptional performance. The KVH TG6000 

IMU [33] has an angular rate range of 750 °/s and a resolution of 3×10‐2 °/s. It is also very 

low drift (±1 °/hr), has low non‐linearity (1000 ppm) and is highly insensitive to off axis 

rotations.  It can also measure accelerations of ±70 g with a resolution of 3×10‐4 g. This 

military grade system costs around £20,000.  

MEMS inertial sensors do not provide the raw performance of conventional devices with 

typical  gyroscopes  [34]  limited  to  ±300  °/s  at  a  resolution  of  2.4×10‐2  °/s  and 

accelerometers with a  range of ±2 g and a  resolution of  1.2×10‐3 g. The problem when 

comparing  these values  is  that  the MEMS  sensors  can exhibit worse  characteristics  in 

areas  like drift, which are not presented by  the manufacturer. However,  these  sensors 

are several orders of magnitude cheaper than their conventional counterparts at around 

£50 for the six required. Due to their relatively low‐cost nature, all the FCSs examined in 

section 2.4.1 use almost identical sensor suites based on MEMS sensors. 

Page 27: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

18 

 

 

 

An advantage of MEMS sensors  is better robustness over traditional sensors. The KVH 

TG6000  is rated to a maximum non‐operating shock of 200 g while MEMS sensors are 

typically  rated  at  2000  g while  operating  [34]. This has  led  to  their use  in munitions 

applications [35].  

The main difference  between  commercial  FCSs  is  the  amount  and  type  of  processing 

power used  to  execute  the  inertial  and  control  algorithms. The Piccolo  system uses  a 

Motorola MPC555 processor running at 40 MHz that can achieve 50 Million Instructions 

per Second (MIPS) and has a hardware Floating Point Unit (FPU). The addition of the 

FPU  is  significant  as  it  makes  processing  large  matrices  of  floating  point  numbers 

possible in real time. This can be important for some algorithms as described in section 

2.4.3. The disadvantage of a fast CPU  is an  increase  in power consumption; this can be 

significant  over  a  long duration mission. Cloud Cap do not  run  an Operating  System 

(OS) on the Piccolo and program directly for the processor, there is no indication of any 

software quality‐assurance method, which may be critical  in gaining aviation authority 

approval to operate (section 2.5). 

Blue  Bear  take  a  different  direction with  their  system  and  have  a  high‐speed  integer 

processor, a 400 MHz XScale that can do 480 MIPS. This does not include a FPU but due 

to its high clock speed, can perform these calculations very effectively in software. Blue 

Bear  run a Linux based operating  system  that allows very easy code development and 

porting  directly  from  Matlab  routines.  This  combination  of  software  makes  it  very 

difficult to prove reliable operation but is very convenient for rapid prototyping. Despite 

its high clock speed, the XScale draws very little power in operation. 

The Micropilot  and AP04  both  use  low‐cost microcontrollers  (the AP04  uses  two)  to 

perform data  collection  and all  calculations. This makes  them  simple  to program and 

cheap  to  build  but  does  mean  they  have  limited  processing  ability.  They  are 

programmed directly and do not use an OS. Micropilot uses a 33 MHz Motorola M‐Core 

that can do around 40 MIPS but has no FPU;  this processor also  lacks any additional 

hardware  to  reduce  the  burden  of  data  collection,  further  reducing  the  available 

processing time. Both these systems have demonstrated successful flights including the 

use of Kalman filters (described in section 2.4.3) for inertial positioning which, suggests 

it is feasible with this amount of processing. 

Page 28: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

19 

 

 

 

In  addition  to  the  fully  integrated  systems,  it  is  possible  to  purchase  an  inertial 

measurement  system  that  could  then  be  interfaced  to  a  processing  board  to  create  a 

complete  system.  These  include  polished  algorithms  for  state  estimation  that  would 

significantly  reduce development  time. High performance  systems  from Crossbow  [32] 

cost  from £2,500 and can easily exceed  the cost of  the NAV420 at £4,500  (see  section 

2.4.2). Other  systems  like  the  Sparkfun  6DOF  IMU  [36]  are  essentially  just  the  same 

inertial  sensors  as  the  FCSs  offer  but  pre‐mounted  and  easy  to  use.  The  Crossbow 

systems are too expensive for the same reason as the FCSs (see section 2.4.1), the other 

systems  like  those  from  Sparkfun  do  not  offer  the  advantages  of  a  real  IMU,  as  they 

include no processing, just raw data outputs. 

There is no consensus on the optimum processing solution amongst the FCSs available 

on  the market  today. Different  systems  take completely different approaches, often  to 

tailor themselves to a specific market. Low‐cost inertial sensing is performed in the same 

way by all the systems examined. MEMS sensors (usually from the same manufacturer) 

are used and  their outputs  filtered  to give an acceptable estimate of aircraft state. The 

hardware  used  in  all  these  systems  is  in  itself,  quite  cheap.  The  cost  of  the  systems 

usually comes  from  the  integration and software. A custom‐built FCS should offer  the 

same features as the best available commercial systems but provide the reduction in cost 

of having been developed internally. 

2.4.3 Software Component 

The  commercial FCSs examined  in  section 2.4.1 all use  very  similar  software  schemes. 

The Kalman filter is preferred for state estimation due to its ability to compensate for the 

strengths and weaknesses of the low‐cost MEMS inertial sensors [37]. The filter can also 

incorporate data  from GPS  [38] and provide estimates of unmeasured parameters  like 

gyroscope  bias  [39].  Gyroscope  bias  is  especially  important  as  the  low‐cost  MEMS 

sensors can drift dramatically within a matter of minutes. An extended Kalman filter is 

typically used in UAV applications due to the non‐linear nature of aircraft dynamics. 

Most UAV  control  systems  use  Proportional‐Integral‐Differential  (PID)  controllers  as 

these  are  well  understood  and  methods  exist  for  tuning  the  gains.  Some  more 

sophisticated  systems use  state‐space or  adaptive models but  these  are  generally only 

found  in  large  and military UAVs. An  alternative  to  the PID  controller  is  the Pseudo 

Derivative  Feedback  (PDF)  controller.  This  differs  from  the  PID  because  the 

proportional  and derivative  terms  are  in  the  feedback  rather  than  forward  stage  [40].  

Page 29: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

20 

 

 

 

This offers a performance improvement over PID but they are more difficult to tune and 

there are less examples in the literature [41]. 

The  computational  requirements  of  the  software  will  determine  the  processing 

requirements of  the  system. The  computational  requirements of  an Extended Kalman 

Filter  can  be  very  high  especially  when  done  in  floating  point  on  an  integer  only 

processor. An example of this is the floating point Kalman filter implemented on the test 

hardware  by  Bennett  [41].  The  filter  requires  approximately  260,000  instructions  per 

execution when GPS  data  is  updated  in  addition  to  inertial  data.  This  is  58%  of  the 

instructions available on a 50 MHz ARM core every 100 Hz. Some developers have used 

processors with  a hardware FPU  to get  round  this problem,  although  it  is possible  to 

write  a Kalman  filter  that  uses  fixed  point  [42].  Integer  calculations  require  20  ‐>  35 

instructions  less  than  emulated  floating‐point  instructions  (very mixture  dependent). 

This  allows  a  smaller  processor  to  be  used,  resulting  in  power  savings  or  a  more 

sophisticated algorithm to be executed. 

Another major  factor  in determining  the processing  requirements  is  the  rate at which 

the  aircraft  surfaces  need  updating.  The  Crossbow  [32]  inertial  measurement  and 

autopilot  systems operate at a  rate of  100 Hz.  It  is difficult  to  find  information on  the 

rates  used  by  commercial  systems  but  due  to  the  maximum  100  Hz  bandwidth 

limitations of the MEMS gyroscopes (values are similar for the other devices) there is no 

benefit going faster.  

The  FCS  software  component  will  necessarily  include  Kalman  filtering  for  state 

estimation  and  either  PID  or  PDF  controllers  for  stabilisation.  It  should  also  be 

considered  that more  advanced  controllers might be used  in  the  future. These would 

likely be the same order of processing as the Kalman filter so the ability to process up to 

500,000  instructions  at  100 Hz would  be  desirable  if  everything was  implemented  in 

floating  point.  In  addition,  there may  be  several  higher  layers  of  control  to  provide 

advanced  functions  including  navigation.  The  software  in  commercial  FCSs  is  the 

expensive part of the system. It is mathematically sophisticated and requires a high level 

of reliability making it difficult and time consuming to develop. 

2.4.4 Payload Management 

Any UAV for oceanographic research will need to carry a mixture of scientific equipment 

as payload. This will require data from the FCS about position and will need data storage 

Page 30: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

21 

 

 

 

and possibly transmission to the research vessel. Some commercial FCSs like the Piccolo 

[43]  include  some  of  this  functionality  (2  serial  interfaces  and  4  analogue  inputs). 

Although convenient, this places an extra load on the FCS as well as potentially requiring 

rewriting of the FCS software for different payload combinations.  

Separating  the payload management  from  the  flight control  reduces  the complexity of 

the  FCS  making  it  more  reliable  and  leaving  more  processing  time  for  advanced 

algorithms. Commercial data logging systems like the DT50 [44] have flexible inputs and 

can record 16‐bit analogue data at rates up to 100 kHz. One of the disadvantages of this 

kind  of  system  is  the  inability  to  transmit  selected  data  on  demand  to  the  research 

vessel, which may  be  in  only  intermittent  contact with  the UAV.  It  is  also unable  to 

perform even basic analysis on  the data; perhaps  to  flag an  important change  that  the 

scientists might want to examine in more detail. 

Separating  the data  logging  from  the FCS creates a  far more  flexible and maintainable 

system. The level of sophistication required in such a system is such that an off‐the‐shelf 

data  logger would not have the flexibility required. The NOC have already developed a 

low‐power data logger that should fulfil the immediate requirements of the project [45] 

and  provide  the  processing  power  to  perform  more  advanced  operations  as  these 

become necessary. 

2.4.5 Conclusions 

The  use  of  MEMS  sensors  has  become  the  standard  method  of  measuring  inertial 

variables  in  all  the  commercial  FCSs  examined.  This  hardware  is  relatively  cheap  to 

develop and manufacture  compared  to  the  cost of  the  final product. The value  in  the 

commercial systems is in the software algorithms for state estimation and flight control. 

Purchasing a commercial system would mean that the both the software and hardware 

are  paid  for  each  time.  An  internally  developed  system  would  only  face  the  cost  of 

replacement hardware as the software could be programmed into the new board. As the 

requirements  are  for  the  lowest  possible  vehicle  cost,  it makes  sense  to  develop  the 

system internally. This allows the maximum amount of flexibility as well as making the 

vehicle a development platform for more advanced control techniques and flight system 

research. 

Kalman  filtering  is  essential  for  accurate  state  estimation  and  the  requirements  of 

implementing  an  Extended  Kalman  Filter  (possibly  a  fixed‐point  version)  must  be 

Page 31: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

22 

 

 

 

considered when determining hardware requirements. The processing requirements for 

PID and PDF controllers are very similar although it would be worth ensuring that more 

advanced controllers could run on any hardware to future‐proof the design.  

2.5 Safety 

The  most  important  issue  when  considering  the  operation  or  certification  of  any 

unmanned vehicle  is the safety of the operators and those who may be affected by the 

operation. In the case of UAVs, this  includes any people or property  flown over by the 

aircraft. Papers are examined that discuss safety issues relating both to UAVs and to full 

size aircraft due to the small body of working directly related to UAVs. The implications 

for  a  low‐cost  UAV  and  the  practicality  of  implementing  the  recommendations,  is 

considered. 

Presently  there  is  only  limited  documentation  available  on  the  future  certification 

requirements  for UAVs. The  governing body  for  the UK,  the Civil Aviation Authority 

(CAA),  is  involved  in  a  continuing  process  of  refining  its  position  and  released  the 

second edition of its UAV guidelines [46] at the end of 2004. These guidelines will form 

the basis of any future legislation that is considered necessary.  

The fundamental principle laid down in the CAA guidelines is that any UAV must meet 

or  exceed  the  safety  standards  for manned  vehicles  if  it  is  to  operate  in  controlled 

airspace. This creates a significant problem for small UAV projects that wish to fly over 

land or around  the coast of  the UK. To meet  these  requirements  the aircraft must be 

able to sense other aircraft with the same (or better) ability as a human pilot and take 

avoiding action. They must also have all the communication systems to be “seen” from 

air traffic control as if they are a conventional vehicle.  

Casarosa  [47] evaluates  the  impact of  safety  requirements on UAVs by considering all 

the  components  required  to  achieve manned  aircraft  levels  of  safety  (10‐9  failures  per 

flight  hour).  They  identify  the  fundamental  aircraft  components  and  additional 

equipment to provide the required safety level such as, a visual flight reckoning system, 

a transponder and a traffic collision‐avoidance system (RADAR). Summing the masses of 

these gives an overall minimum weight of 150 kg for the onboard systems and a take‐off 

weight of 450 kg. This leads Casarosa to conclude that a fully certifiable UAV must have 

a wingspan of around 7.7 metres. The size and complexity of a vehicle with these kinds 

Page 32: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

23 

 

 

 

of features makes  it unlikely that  it could fit  into the  low‐cost gap  identified  in section 

2.1. 

In  assessing  methods  of  certification  for  civil  UAVs,  Haddon  and  Whittaker  [48] 

compare  the operation of UAVs  in  the military environment with potential operations 

undertaken by civil UAVs. They conclude that  it would not be possible to operate civil 

UAVs simply with a code of requirements. This is because the CAA would have no direct 

control or even  information about  the kinds of missions being  flown. Their solution  is 

that a set of airworthiness standards should be derived from the existing set for manned 

aircraft. This also retains the scope for individual criteria that are dependent on mission 

type. So for example, a mission in an environment where there is little risk may incur a 

more relaxed approach. 

Haddon and Whittaker then examine both unpremeditated descent and loss of control 

scenarios. An unpremeditated descent is a failure that results in the inability to maintain 

a safe altitude above the surface. This  is dominated by the reliability of the propulsion 

system. A  loss of control scenario uses the terminal velocity of the aircraft to calculate 

kinetic energy and it is dominated by control system reliability. Their conclusion is that 

aircraft, which on failure simply ditch at the location of the failure, are far less likely to 

gain  approval  than  those  that  can maintain  some  control  and  return  to  a known  safe 

area for recovery. To achieve this level of performance on failure it may be necessary to 

include multiple independent control systems or a system that can detect and adapt to 

failures if they occur. 

When UAVs are operating in the same airspace as regular air traffic there is potentially a 

danger to other aircraft. UAVs are often small,  fast and hard to see so they need to be 

able to identify themselves to other aircraft and air traffic control in the same way as a 

conventional aircraft. It is also generally agreed that they should operate under the same 

Visual Flight Rules (VFR) as light manned aircraft. Le Tallec [49] examines how this may 

be possible. Light aircraft usually rely on the “see and avoid” principle although this can 

fail when there is a high closing speed or through lack of pilot vigilance. In UAV terms, 

this would need to be translated to “sense and avoid”. This has traditionally meant active 

systems  like RADAR however;  even modern man‐transportable  systems  are much  too 

heavy, delicate and expensive to be carried on a small UAV.  

Page 33: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

24 

 

 

 

Le Tallec then goes on to examine the use of a Converging Traffic Alert System (CTAS) 

developed and tested in France. This system includes the ability to measure the aircrafts 

position, transmit this data to other aircraft and to inform the pilot of danger. A system 

of this kind would be more suitable for small UAVs than existing Automatic Dependent 

Surveillance‐Broadcast (ADS/B) systems as they are designed for wide‐body aircraft and 

are consequently much too large and heavy. It would also be compatible with the Traffic 

Collision Alert System (TCAS) used by ground control although the CTAS messages are 

much  simpler.  Le  Tallec  concludes  that  this  system  would  be  highly  popular  with 

airspace authorities, and could be made available for less than $1000. This system could 

allow small UAVs to operate in controlled airspace but it relies on all air traffic carrying 

it  as well  as  support  from  ground  stations.  It  is  expected  that  it will  be more  than  a 

decade before such a system is viable option. 

The findings of the presented publications have serious implications for this project. To 

fly in any airspace some kind of approval will be necessary from the relevant authority. 

By considering the potential requirements they will have at any early stage it is possible 

to improve the chances of gaining such approval. The main advantage the project has is 

the type of operations undertaken (section 2.1). These will initially be over unpopulated 

areas (offshore), with no air traffic under the UAV flight ceiling of 200metres. 

Ensuring  that  a  single  point  failure  of  the  control  system  does  not  cause  the whole 

aircraft  to  fail  will  also  be  critical.  Redundant  surfaces  and  actuators,  identified  by 

Casarosa  [47]  as  the most  vulnerable  point, will  be  critical  in  improving  robustness. 

Quantifying the potential failure rates of many components  including actuators will be 

important  through  identification  of  the most  common  failure modes  and  testing  to 

destruction. 

As soon as flights to investigate coastal features or in more areas of greater air traffic are 

required, some method of deconfliction will be necessary. In the case of CTAS, this could 

possibly be carried by the UAV itself or it could be carried onboard ship and relay UAV 

information  to other aircraft. Avoidance should be straightforward as  the UAV will be 

relatively manoeuvrable and able to change altitude rapidly without danger.  

There  is  little  information  on UAV  safety  that  can  be  applied  directly  to  the  project. 

However,  extrapolations  can  be  drawn  from  the  publications  presented.  By  following 

these  outlines,  it  should be possible  to develop  a  low‐cost  aircraft  that performs  in  a 

Page 34: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

25 

 

 

 

manner  acceptable  to  certifying  authorities  within  the  scope  of  its  operation.  Full 

certification can never be expected for a civil UAV of this type because of the extremely 

high costs. The CAA also requires the manufacturer to be authorised in advance for this 

type of development. 

2.6 Conclusions 

A gap  in oceanographic  sensing  techniques has been  identified and  this gap  could be 

filled by a UAV. This UAV would need  the ability  to be  launched and  recovered by a 

NERC  research  vessel.  It  should  carry  standard  equipment  like  the  cameras  [8,  9] 

described  in  section  2.1  (500  grams  and  3  litres without batteries)  and have  room  for 

additional sensors. This gives a total payload requirement of at least 1.0 kg and 10 litres. 

To examine the features of interest it must be able to cover distances > 1000 km within a 

working day (8 hours) which gives a cruise speed of around 35 ms‐1. The combination of 

these requirements points to a vehicle that is high performance and very specialised. 

The commercial UAV market has several solutions that nearly meet the requirements set 

out in section 2.1. All of them, however, have a cost of ownership that is higher than the 

£5,000 per vehicle necessary. The absence of an appropriate commercial system indicates 

the  need  to  develop  one  internally.  The  use  of  a  commercial  FCS  within  a  custom 

airframe was  rejected,  as  this would  also  increase  individual  vehicle  cost  beyond  the 

£5,000 constraint. 

Little  formal consideration  is given to safety and reliability  issues  in non‐military UAV 

systems.  While  it  is  not  possible  for  a  UAV  developed  on  this  scale  to  meet  the 

requirements of the CAA’s certification programme, there are steps that can be taken to 

move  in  that  direction,  in  airframe  (Chapter  4)  and  control  system  (section  5.2) 

development. Improvements in technology and new legislation may make it reasonable 

for UAVs to operate using ADS/B or similar system in the future. Any new vehicle design 

should  consider  the  impact  this would  have  on  payload  and  power  supply  should  it 

become necessary. 

   

Page 35: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

26 

 

 

 

 

 

 

Chapter 3 

System Design 

3.1 Introduction 

The  requirements  established  in  section  2.6 were used  to develop  an  approach  to  the 

design process for the vehicle. This approach (section 3.2), coordinates all aspects of the 

work. The  original  project  in  2003  [1]  performed  a  preliminary  design  for  the  vehicle 

based  on  similar  requirements  and  some  of  the  elements  are  retained,  including 

approximate dimensions for the aircraft. The refinements made to these are discussed in 

Chapter 4. 

3.2 Approach 

The design approach for the complete system is that certification level reliability should 

be  aimed  for  where  possible  whilst  keeping  development  and  unit  cost  as  low  as 

possible. One  of  the  key  ideas  is  to  use  low‐cost  components  but  to monitor  them 

closely  for  signs  of  failure  and  to  offset  poor  performance  by  using  sophisticated 

software. The application of this approach is described in more detail as it relates to each 

stream in the project (Chapter 4, Chapter 5). 

3.3 Modes of operation 

The CAA is not only concerned with the robustness of the vehicle but also the types of 

operation  it will perform and  in what airspace. It  is hoped that the operations planned 

for the NOC UAV will allow for some relaxation of the other requirements. The reason 

Page 36: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

27 

 

 

 

for  this  is  that  they will not  take place  in  controlled airspace or above any populated 

areas. Three modes of operation have been defined with  increasing  levels of  reliability 

necessary in the vehicle and will be implemented sequentially and in discussion with the 

CAA, as the project develops. 

3.3.1 Mode 1 – Short range 

Mode 1 is suitable for directing ship operations to areas of interest. The UAV flies a box 

pattern ahead of the vessel to detect fronts and upwelling. 

Restrictions 

• Always within line of sight 

• Flight area is monitored visually and by ships RADAR 

• Altitude between 100 and 200 metres 

• Constant  radio  communications  between  ship  and UAV  for  course  correction 

and status monitoring 

• On  loss of communications  link vehicle holds position by circling until contact 

re‐established or auxiliary engine cut off activated 

3.3.2 Mode 2 – Deep Sea 

Mode 2 is for operations in the deep ocean, well away from other shipping and low flying 

aircraft. This can be used for mapping large features or searching for areas of interest. 

Restrictions 

• Altitude between 100 and 200 metres 

• Constant communication between ship and UAV by either radio or satellite  for 

course correction and status monitoring 

• Course planned to avoid shipping areas and heavy weather 

• Loss of communication causes UAV to return to last known ship position 

3.3.3 Mode 3 – Traffic 

Mode  3  is operationally  the  same as mode 2 except  that  it  takes place  in areas where 

other traffic may be present. These may be coastal but still unpopulated. The restrictions 

are the same as mode 2 but with the addition of those listed below. 

Restrictions 

Page 37: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

28 

 

 

 

• Sensing of other aircraft using ADS/B 

• Transmission of position and intentions using ADS/B 

• Ability to automatically take avoiding action in case of potential collision 

3.4 Flight conditions 

The design of the vehicles structure, propulsion and control systems need to be based on 

a set of common performance parameters. These parameters are not the final values for 

the finished system but a set of interim targets. They should represent the most common 

case (cruise) as well as the extreme conditions encountered at launch and landing.  

3.4.1 Cruise condition 

Cruise condition is defined by the need to achieve optimum range and endurance. 

• Lift/ drag performance > 10 

• Speed of approximately 30 ms‐1 (to cover required distance in one work day) 

• Fuel consumption < 300 g/hr (to get required endurance from fuel load) 

• Ability to perform well over the weight change due to fuel load 

3.4.2 Landing condition 

Landing requires the slowest possible approach to reduce the impact with the water. 

• Speed of < 17 ms‐1 

• Good rudder authority to allow cross wind landing 

• Waterproof payload bay 

3.4.3 Launch condition 

Launch requires that the aircraft can be accelerated rapidly. 

• 6 G loading in forward direction 

3.4.4 Climb condition 

Climb condition  is  important not only after  launch but also  to define the performance 

required in heavy weather conditions. 

• Climb rate of > 1:10 when fully loaded 

 

Page 38: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

29 

 

 

 

3.5 Conclusions 

The  design  approach,  modes  of  operation  and  flight  conditions  combine  to  give  a 

complete definition of the system. Using this, the detailed design process can begin. The 

airframe and propulsion development are described in Chapter 4 and FCS development 

in Chapter 5.   

Page 39: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

30 

 

 

 

 

 

 

Chapter 4 

Airframe 

4.1 Introduction 

The requirements for the vehicle described in sections 2.6 and 3.4, demand an airframe 

that is resilient and aerodynamic. These requirements are summarised below: 

• Range in excess of 1000 km 

• Endurance longer than 8 hours 

• Payload mass of up to 2 Kg 

• Payload volume of up to 10 litres 

• Capable of launch from a ship 

• Recoverable after landing and immersion in sea water 

• Structural cost of less than £1,500 to meet total cost requirement of £5,000 

4.2 Aerodynamic development 

The  first  prototype  vehicle  developed  in  2003  was  designed  entirely  using  classical 

aerodynamic methods (Figure 4.1). This vehicle was successfully test flown using landing 

gear for recovery (not shown in figure). Despite the success of the test flight, the vehicle 

did not meet the requirements due to its poor aerodynamic performance, over powered 

engine  and  weak  wing  construction.  The  next  few  years  of  undergraduate  projects 

focussed on attempting to improve these areas. 

Page 40: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

Th

pr

se

Th

pe

At

de

4.

di

th

re

(C

de

Th

he  sizing  a

roject. A  pu

elected so th

he  size was

etrol require

t  the start o

eveloped  fo

5). Howeve

ifferent  des

hem. The un

edeveloping 

CFD). This r

esign [50].  

he recomme

• Use o

• Wing

• 3.2 me

• Use o

• Sink w

• Use o

and  configu

usher  config

hat sensor p

s determine

ed to run th

 of  this proj

or  the  fusela

er, only  limi

igns  from  e

ndergradua

  the wing  a

 resulted in s

 

endations m

of the Selig 9

g cross sectio

etre wing sp

of a straight 

 wing into fu

of split flaps 

uration  of  th

guration, w

 payloads wo

ed by  the pa

he engine fo

Figur

ect, more a

age  and win

ited progres

  each  year  o

ate GDP gro

  as  they had

summer pla

made by End

 9037 wing se

on; at root 2

pan 

 sided fusela

uselage body

 as oppose t

 

 

he  vehicle 

where  the  en

ould be able

ayload volu

r the requir

re 4.1 ‐ NOC 

advanced co

ng by  a  ser

ss had been

of  the  proje

oup  starting

d  particular 

acement for 

dicott were: 

ection 

 204.21 mm, a

age to elimin

 to simple fla

  was  determ

ngine  is  at 

e to sample 

ume and ma

red enduran

UAV mark 1

omposite co

ries of unde

n made  in a

ect  and  littl

g  in  summe

  skills  in C

r one of the 

 

 at tip 122.55

nate acceler

aps to impro

mined  in  th

  the  back  o

 clean air ah

ass  followed

nce. 

onstruction 

ergraduate  g

aerodynamic

le  evidence

er 2005 wer

Computation

 students an

5 mm 

ration of flo

ove perform

he  first  yea

  of  the  fusel

head of the

d by  the vo

 

 methods h

groups  (see

c performan

e  to  support

re given  the

nal  Fluid D

nd a report 

ow under the

mance 

31 

r  of  the 

lage was 

e engine. 

olume of 

had been 

e  section 

nce with 

t  any  of 

e  task of 

ynamics 

 into the 

e wing 

Page 41: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

32 

 

 

 

• Design for a more pointed nose 

These  recommendations  were  refined  and  the  fuselage  redesigned  to  provide  the 

minimum  cross  section  to  accommodate  the  engine,  fuel  and  expected  payload.  Its 

length was set by  the need  to counter balance  the  tail and engine against  the payload 

and avionics around the centre of lift of the wing. The result of this design work is shown 

in Figure 4.2. 

 

Figure 4.2 ‐ Artists rendering of NOC UAV mark 2 design 

The main differences between the two designs are summarised in Figure 4.3. The volume 

of the fuselage has been substantially reduced although still meets the requirements set 

out in section 2.6. However, the CFD calculated lift to drag ratio at cruise is substantially 

improved doubling the effective range of the aircraft. 

  Mark 1  Mark 2 

Wing span  2600 mm  3160 mm 

Flaps  None  Split flaps, 30%, 1000 mm 

Overall length  2450 mm  2055 mm 

Predicted Lift/Drag  4  10 

Payload volume  20 litres  10 litres 

Page 42: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

33 

 

 

 

Fuel tank volume  7 litres  5.8 litres 

Engine  2‐stroke, 28 cc  4‐stroke, 25 cc 

All Up Mass (AUM)  15 kg  15 kg 

Figure 4.3 ‐  Design differences between mark 1 and mark 2 

4.3 Wind tunnel work 

To  confirm  the  data  calculated  by CFD  a  half  scale model  of  the mark  2  design was 

manufactured to test in the wind tunnel. The objective was to demonstrate the improved 

L/D performance (validating the CFD results) and to test a selection of flap designs, as it 

was not possible to model them successfully using CFD.  

 

Figure 4.4 ‐ Wind tunnel results L/D 

Figure 4.4 shows the results of the L/D testing. At an angle of attack of 1°, the L/D ratio 

hits a peak of 11, slightly better than the CFD result. This difference may be because CFD 

tends to overestimate drag. 

-5

0

5

10

15

-4 -2 0 2 4 6 8 10

Lift

/ Dra

g

Angle of Attack (degrees)

Page 43: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

34 

 

 

 

 

Figure 4.5 ‐ Wind tunnel results, flaps 

The target landing speed for the aircraft is <17 ms‐1 and so flap data was calculated  just 

below  this  at  15 ms‐1. Figure 4.5  shows  the  results  for different  flap designs  set  to  30° 

deployment. The  flap designs are measured as a percentage of  the wing chord and all 

designs  run  the  entire  length  of  the wing  before  the  ailerons  (1 metre  each  side). As 

shown  in the  figure,  increasing the  flap size  increases not  just the maximum  lift of the 

wing but also the lift for a given angle of attack. 

The most effective design is the plot marked EXT. This design is an extending flap that 

not only deploys  to 30° but also extends  the chord of  the wing by 20%. This  is better 

performing  but  more  mechanically  complex  and  therefore  was  not  selected  for  the 

vehicle at this time.  

The maximum mass of the aircraft is 15 kg so to remain in the air ≈150 N of lift must be 

generated  by  the wing.  As  shown  in  the  figure  none  of  the  designs  could  reach  the 

design point of 150 N at 15 ms‐1, in fact they only reach this amount of lift at 17 ms‐1. This 

is acceptable as  the  flaps are only  to be deployed during  landing where  speed will be 

reduced gradually to make the aircraft  lose  lift so  it descends while being pitched nose 

up.  In  addition,  at  landing  the  fuel weight will be  approaching  a minimum  giving  an 

40

60

80

100

120

140

160

-5 0 5 10 15 20

Lift

(New

tons

)

Angle of Attack (degrees)

10%20%30%40%EXT

Page 44: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

35 

 

 

 

aircraft mass of approximately 12 kg. This is accomplished with a small safety margin at 

15 ms‐1 with the extended and 30% flap designs. 

The  flap  selected  for  the  vehicle was  a  30%  flap  deployed  to  30°.  This was  the  best 

compromise between lift performance at lower speeds and the drag created that would 

need to be overcome by the engine. 

4.4 Engine development 

To  meet  the  range  performance  requirements  set  out  in  section  2.6  an  extremely 

efficient engine is required. Commercial UAV engines like those developed by RCV  [51] 

perform extremely well and use heavy fuel but are very expensive. At the time of writing 

all RCV’s  engines  are  also  too  large  to be  suitable  for  the project but  collaboration  is 

being discussed that may fund the development of smaller, lower cost versions.  

The mark 1 vehicle used a 28cc, 2‐stroke petrol engine that generated 1.3 kW peak power. 

The 2‐stroke cycle is inherently inefficient due to the unburned fuel passing through the 

system and the engine was more powerful than required  for the more aerodynamically 

efficient mark  2  vehicle. At  cruise  condition  (see  section  3.4.1),  the wind  tunnel  data 

indicates  that  14.6 N of  thrust will be required which  is 503 W (given an 85% efficient 

propeller). 

Moving to a 4‐stroke engine would offer an immediate improvement in performance, the 

Honda  GX25  was  identified  as  the  smallest  4‐stroke  petrol  engine  available  and  its 

specifications are shown in Figure 4.6. 

Parameter  Value  Units 

Capacity  25  cc 

Cycle  4‐stroke   

Maximum power  810  watts 

Speed at maximum power  7000  rpm 

Maximum torque  1.25  Nm 

Speed at maximum torque  5000  rpm 

Fuel consumption  340  g/kWh 

Fuel  Unleaded petrol   

Carburettor  Diaphragm type   

Page 45: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

36 

 

 

 

Ignition  Transistorised magneto   

Figure 4.6 ‐ Honda GX25 specifications 

As the engine would have to operate in very different conditions to those it was designed 

for,  it was  decided  to  perform  a  characterisation.  This work was  performed with  the 

assistance of a  third year engineering  student who operated  the  test  system,  took  the 

measurements and produced an analysis of the data. 

The  test  system  was  rebuilt  based  on  a  previously  used  design  and  improved  and 

maintained  as  part  of  this  project.  The  system  was  set  up  in  an  open‐ended  cargo 

container to allow air to  flow through and exhaust gases to be vented. The engine was 

mounted on a rig measuring reaction torque, RPM, temperature and fuel flow. This data 

was captured using LabView and the throttle was controlled with the same system that 

operates in the UAV. A set of differently pitched propellers were run at a range of RPMs 

and fuel flow recorded for each. 

The work on the system included: 

• Improvements to the fuel flow measurement to isolate vibration, wind noise and 

improve resolution 

• Addition of connectors to allow the electronics to be moved indoors for storage 

• Control of throttle using a linear actuator and hobby transmitter 

• Signal conditioning enhancements 

• The LabView system for data acquisition and display 

• Site risk assessment 

• Training of undergraduate student in equipment use and safety precautions 

• Procurement of all equipment including selection of propellers 

• Day‐to‐day setup and oversight of work 

Page 46: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

37 

 

 

 

 

Figure 4.7 ‐ Honda GX25, power v.s. fuel consumption 

The  results  of  the  testing  (Figure 4.7)  show  that  the GX25 met  the  fuel  consumption 

figures quoted for it. When generating the 500 W required for cruise it consumes around 

275  g/hr  (using  a  least means  squared polynomial  fitting on  the data boundary). The 

mark 2 design can carry up to 5.8 litres (4.2 kg) giving an endurance of 15.3 hours and a 

range of 1600 km at 30 ms‐1.  

4.5 Manufacture 

The structural design of a full size aircraft requires a very careful balance of weight and 

strength. These structures are certified using simulation and testing to demonstrate that 

they have a safety factor of at least 1.3 over the expected maximum strength required. It 

is expected that the CAA will require at least the same factor for UAVs. 

The loads experienced during handling and transportation are far greater than the flight 

loads  for  a  small UAV.  As  such,  these will  determine  the minimum  strength  of  the 

structure,  resulting  in an  in‐flight  safety  factor  that  is  relatively high.  In addition,  the 

NOC UAV has two unusual phases of flight that require additional strength, the high G 

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 100 200 300 400 500 600

Fuel Con

sumption (g/hr)

Power (Watts)

Page 47: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

38 

 

 

 

loading  during  launch  and  a  potential  impact  during  landing.  These  will  also  be 

important  in  determining  the  required  strength.  The  minimum  strength  /  weight 

achievable with the material available is very high so the numerical structural analysis of 

the  vehicle  is  left  to  the  undergraduate  student  groups,  see  section  1.5  for  more 

information on the distribution of tasks. 

As part of undergraduate projects over the last four years many composite construction 

techniques have been attempted. The requirements for the technique are: 

• Good external surface finish 

• Light weight part with minimum resin 

• Strong, low velocity impact resistant parts 

• Manufacture by students / personnel with limited practical skills 

• Resulting parts are easily assembled 

• Process can be repeated reliably 

• Moulds can be modified to experiment with different designs 

After much experimentation the current recommended technique is: 

• Always female moulding 

• CAM cut mould or former to make mould 

• Use sandwich structures with Rohacell foam or Balsa cores 

• Wet layup 

• Cold cure (not autoclave) 

• Vacuum pressure using bag 

• Use of joggles to help assembly 

• Moulds to form all joints so complex joins are not required during assembly 

4.6 Systems integration 

Integration of the propulsion, structural and electrical systems was performed as part of 

this project.  

4.6.1 Electrical system 

The design philosophy  established  in Chapter  3 was  to make  the best use of  low‐cost 

actuators  and  sensors. The  actuators  selected  for  the  control  surfaces of  the UAV  are 

Page 48: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

39 

 

 

 

low‐cost hobby aircraft servos. These are cheap, flexible and fast, however, they are not 

very robust and have no protection if they become stuck, causing them to be destroyed 

from overheating. To mitigate these  factors  it  is planned to monitor their performance 

very closely by measuring position and current draw. To allow this to be done centrally 

each servo requires four wires. This is discussed in more detail in section 8.5. 

Wiring was  selected by designing  for  the worst‐case  loading caused by each  servo. As 

power consumption is critical, it is important that losses in the wiring be reduced as far 

as possible. For the first vehicle, a 7/32 AWG core size was selected so that power loss to 

the most distant servos was 0.23 W at 1 A peak load. This gave a total wiring weight of 

441 grams  for the whole vehicle. Future work to characterise the servos may  indicate a 

lower current draw allowing a smaller core size to be used. Moving to 7/34 AWG, would 

reduce wiring weight by half to 222 grams. 

4.6.2 Battery specification 

To provide the current necessary to run all the actuators for a possible endurance of over 

12  hours  requires  a  high‐performance  battery  technology.  The  best  energy‐to‐weight 

ratio  technology  available  is  Lithium‐Ion.  However,  these  packs  require  careful 

monitoring and charging to get best performance and prevent explosions. Nickel‐Metal‐

Hydride  (NiMH) was selected as  this  is a  robust  technology,  is easy  to charge and has 

good capacity. A 6 volt, 4.5 Amp hour pack weighs 300 grams. 

 

   

Page 49: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

40 

 

 

 

 

 

 

Chapter 5 

Flight Control System 

5.1 Introduction 

To meet  the  low‐cost  requirement  identified  in  section 2.1  it was determined  that  the 

Flight Control System (FCS) must be developed internally, as the commercially available 

solutions were  too  expensive  or  performed  poorly.  Figure  5.1  shows  the  position  and 

connectivity of a bespoke FCS within the aircraft system.  

Flight Control SystemData Logger

Satellite Uplink

RF CommunicationsEngine

Control Surfaces

Structural Health

Monitoring

 

Figure 5.1 ‐ FCS interfaces to the UAV and ground station 

Page 50: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

41 

 

 

 

The FCS needs to be evaluated as part of the complete aircraft system and must achieve 

equivalent or better levels of robustness. It will be critical in monitoring the health of the 

airframe, control surfaces and engine. The functions required of the system are: 

• Measurement of inertial parameters making best use of low‐cost sensors 

• GPS reception 

• Processing of sensor data to find the state of the aircraft 

• Processing of current state and required state to produce inputs to the system 

• Control of all surfaces 

• Monitoring of control surfaces, engine and eventually airframe 

• Communications with the ground station 

• Power supply monitoring and control 

• Ability to continue navigating in the absence of some sensor data 

• Black‐box data recording for post‐flight analysis 

5.2 Approach 

In section 2.4 the requirements for a suitable FCS were established, these are: 

• A unit cost of under £1,000  for  the hardware  in order  to be part of a complete 

system at under £5,000 

• The hardware must be robust to survive handling in a wet environment, in‐flight 

vibration and possible impacts during vehicle assembly 

• Software must be robust to deal with sensor and actuator failures 

• Hardware  and  software  must  be  developed  to  be  potentially  certifiable  (see 

section 2.5) 

• The system must support health monitoring of the structure and control surfaces 

• There  should  be  enough  headroom  to  allow  the  use  of  sophisticated  flight 

control algorithms (section 2.4.3) 

To  achieve  the  low  hardware  cost  required  the  design  should  make  use  of  widely 

available  components,  particularly MEMS  inertial  sensors.  These  are  used  by  all  the 

commercial autopilots available for small UAVs, they are more noisy and prone to drift 

than traditional transducers but they are also more robust (section 2.4.2). 

Page 51: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

42 

 

 

 

By  combining  all  the  systems  required  into  a  single  package  it  should  be  possible  to 

substantially  improve  hardware  robustness  simply  by  reducing  the  risk  of  connector 

failure and operator error. It will also be easier to protect components  from water and 

handling  damage.  The  tight  integration  of  vehicle  structural  and  control  surface 

monitoring will help to combat one of the weakest areas in current small UAVs, the use 

of actuators design for hobby aircraft. 

A  UAV  developed  to  be  so  low‐cost  and  by  an  organisation  other  than  the  main 

aerospace manufacturers  is very unlikely  to be CAA certifiable  (see section 2.5) due  to 

the  expense of meeting  the documentation  and  formal proof  requirements. These  are 

not  just  incurred during the main development but also when any software, hardware, 

structural  or  aerodynamic  change  is made  to  the  vehicle  during  its  life.  The  CAA  is 

continuing to evolve its requirements in order to support the new commercial UAVs and 

their roles, some of which will be in controlled airspace. It is likely this will result in a set 

of  graduated  requirements  that  depend  on  the  size  of  vehicle,  the  type  of  work 

undertaken and the airspace in which the operation takes place. 

The initial operations envisaged for the NOC UAV take place in the deep ocean (section 

2.1). If the UAV is to be used to identify interesting features it needs to perform search 

patterns which can take place within the  line‐of‐sight of the ship, keeping a visual and 

RADAR check of the area over flown. Constant communication with the research vessel 

allows  changes  to  be made  at  any  time.  Even  with  this  very  low  risk  activity,  it  is 

important to consider how to make the vehicle as certifiable as  is reasonable. This will 

not only ensure its correct and safe operation but that in the future it may be possible to 

fly coastal or over‐land missions. 

Meeting robustness requirements  for  the vehicle structure  is more possible  for a small 

UAV than with a large vehicle (discussed in section 4.5). However, for the control system 

it  is  substantially  harder.  Pre‐certified  components  (like  a  standalone  IMU)  are  too 

expensive, as is self‐certification, and any software needs to conform to stringent quality 

guidelines. 

Given  that  the  requirements  described  could  not  be met,  a  study was  performed  to 

examine how easily they could be approximated and what this would offer to the project. 

The electronic hardware, particularly  in  inertial measurement,  is  largely determined by 

the  need  to meet  the  budget  requirements. These  components  are  not  available  in  a 

Page 52: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

43 

 

 

 

certified form as this only applies to complete devices, normally including software and 

an interface either to another device or to the pilot. 

Some  standards  do  exist  for  these  kinds  of  components,  including  some  for  the 

reliability  conscious  automotive  industry  [52].  However,  they  are  not  universally 

supported, making it difficult to choose all components to conform to a single standard. 

Many manufacturers do offer  components  targeted  specifically  at  automotive use  and 

these  will  be  considered  acceptable  unless  they  are  found  to  perform  poorly  on  an 

individual basis (section 5.3). 

Software is even more important in a UAV than in a manned aircraft. It is in complete, 

independent  control  of  the  vehicle  and  the  ground  station  crew  have  only  a  limited 

ability  to put control  into  the hands of a human pilot. The  software  standard used  in 

developing  avionics  for  the  manned  aircraft  industry  is  DO178‐B.  The  level  of 

compliance required is varied according to the impact a software failure would have on 

the  flight.  In  the  case  of  a UAV  control  system,  this  is  considered  ‘catastrophic’.  To 

develop for DO178‐B from scratch would require a team of developers, skilled not just in 

coding but also in generating the necessary documentation. 

To reduce the cost of implementing software to this standard it is possible to buy Real‐

Time  Operating  Systems  (RTOSs)  that  have  been  previously  certified  in  other 

applications. This  then provides  a base of  code  that will not need  to be  examined  so 

closely during certification. Integrity from GHS [53] can be used in this way although at 

£10,000 for a single, non‐commercial license it is still extremely expensive. There would 

also be a steep learning curve and any new code written for it would still need to be to 

DO178‐B for the system to be certifiable. 

Running  any  kind  of Operating  System  requires  additional  processing  overhead  as  in 

addition to the algorithmic code to control the aircraft it must perform frequent status 

checking  on  different  processes. More  processing  requires  a more  sophisticated  and 

faster processor that will draw more current,  increasing the power consumption of the 

system. 

It is possible to develop certifiable software without doing all the work from scratch and 

without using a RTOS by using a modelling and code synthesis suite, like SCADE from 

Esterel Technologies [54]. This allows control algorithms to be modelled  in a graphical 

environment  and  tested  to  ensure  they  perform  correctly.  The  code  generator  then 

Page 53: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

44 

 

 

 

creates DO178‐B  certifiable  code. This does not  certify  the  entire  system  as  this must 

include the hardware certification; however, it does go a long way to create confidence 

in the most critical and difficult to test part of the software. 

There  are  also  tools  available  to  help  with  the  development  of  software  for  use  in 

automotive  applications.  These  generally  ensure  that  the  software  conforms  to  the 

MISRA standard [55]. This is a less sophisticated standard than DO178‐B and there is no 

formal  certification process  so  software  tools  tend  to  implement  a  variety of  levels of 

functionality. 

It  is possible  to achieve  the combination of  low‐cost and some software and hardware 

reliability  in  a number of ways. However,  two distinct options  can be drawn out  and 

these are shown in Figure 5.2. The first is use of a third party RTOS built around a large 

processor,  probably  supported  by  an  additional  smaller  processor  to  perform  data 

collection. The second is the use of a smaller processor that is programmed directly and 

a  system  such as SCADE  is used  to generate  the algorithmic code with a MISRA code 

checker used to analyse the lower level functions. 

  RTOS  No RTOS 

Hardware complexity  More  Less 

Hardware development time  More  Less 

Software complexity  More  Less 

Software development time  Equal  Equal 

Processing requirements  More  Less 

Partly certifiable  Yes  Yes 

Cost of Development tools  Equal  Equal 

Cost per unit  More  Less 

Figure 5.2 ‐ Comparison of FCS options 

From Figure 5.2 it is clear that avoiding the use of a RTOS reduces many of the system 

requirements  while  still  allowing  a  high‐level  reliability  to  be  achieved.  This  choice 

affects not just software development but also the hardware design described in section 

5.3. 

 

Page 54: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

45 

 

 

 

5.3 Design 

Figure 5.3 shows the major components selected for use in the FCS. Each component was 

chosen by examining the market for the type of device required and evaluating it on the 

following criteria: 

• Performance 

• Robustness 

• Cost in small quantities 

• Availability in small quantities 

In addition to those listed, numerous other supporting components were chosen in areas 

like analogue to digital conversion and power regulation. 

Component   Device Selected  Notes 

CPU  Freescale, MAC7116  Automotive grade CPU 

High performance ARM7 core 

Low power consumption 

Multiple serial interfaces 

GPS  Fastrax, iTrax130  Up to 4 Hz operation 

WAAS and EGNOS support 

Gyroscope (Z axis)  Analog Devices, ADRXS300  Low‐cost, easily available 

Gyroscope (XY axes)  InvenSense, IDG‐300  Two axes in a single device 

Simplifies mounting requirements 

Accelerometer  Freescale, MMA7260Q  Three axes in single device 

Low cost and easily available 

Compass  PNI, MicroMag3  Three axes in single device 

Simple interfacing requirements 

Absolute pressure  Freescale, MPX4115A  Fully integrated sensor 

Low cost due to mass production 

Automotive grade 

Dynamic pressure  Freescale, MPXV5004  Fully integrated sensor 

Low cost due to mass production 

Automotive grade 

Radio modem  Aerocomm, AC4868  Low operating frequency gives large range 

Black box  Multimedia card  High speed data recording 

Simple interfacing requirements 

Page 55: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

46 

 

 

 

Previous experience with these devices 

Enclosure  ModICE  Automotive grade 

Waterproof and robust 

Figure 5.3 ‐ Component selections for FCS 

It is beyond the scope of this report to detail the design methodology and specification 

of the complete autopilot  including all components and subsystems. Section 5.3.1 gives 

an example of the method used for the pressure‐sensing element of the design. 

5.3.1 Pressure sensing 

One  of  the  critical  areas  for  the  control  system  that was  identified  by  the  algorithm 

development EngD  project was  for  accurate  pressure  sensing  (Bennett  [41]). Absolute 

pressure  is used  to estimate altitude and dynamic pressure  to estimate airspeed;  these 

supplement  the  inertial  sensors  and  the  GPS  providing  high‐rate  data.  The  original 

sensors on the hardware for this project were interfaced using a 10‐bit analogue to digital 

converter  across  their  entire  pressure  range,  giving  an  altitude  resolution  of  several 

metres. Bennett improved on this design by using a 16‐bit analogue to digital converter 

and  limiting  the  range  to  a  200‐metre  ceiling.  This  gave  a  theoretical  maximum 

resolution of 3.5 cm. 

Bennett [41] considers this enough resolution, and that the resolution  is  limited by the 

fundamental sensor noise, however, the range of 200 metres may be too small for some 

applications  where  imagery  of  large  areas  is  required.  The  design  also  used  voltage 

dividers  to  create  the  voltage  references.  These  are  at  best  around  1%  accurate  and 

output  voltage  will  shift  with  the  temperature  difference  between  the  two  resistors. 

Standard resistors can have a temperature coefficient as much as 5000 ppm/˚C. 

To  improve on this design a 24‐bit sigma‐delta analogue to digital converter was used, 

not  to  improve  resolution  (as  Bennett  has  already  shown  this  to  be  limited  by  the 

fundamental  sensor noise) but  to  increase  range.   By keeping  the Least Significant Bit 

(LSB)  size  the  same,  the  greater  number  of  bits  allows  a  larger  voltage  range  to  be 

measured at the same resolution. 

This greater flexibility in range allowed the use of off‐the‐shelf precision voltage sources 

that have much greater accuracy  (0.05%),  low noise  (41 µVRMS) and  lower  temperature 

drift  (10  ppm/˚C)  than  voltage  dividers. Although  the  fundamental  device  noise  in  a 

voltage  source  is  higher  than  in  a  resistor,  they  reject  noise  from  the  power  supply, 

Page 56: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

47 

 

 

 

which would propagate through a voltage divider circuit. The  laboratory test results of 

the design for the absolute pressure sensor converter are shown in Figure 5.4. 

Parameter  Value  Units 

Effective number of bits  21.3  bits 

Effective resolution  1.7  mm 

Noise free bits  18.6  bits 

Noise free resolution  11.3  mm 

Range  4494  metres 

Voltage offset  3.3  volts 

Voltage reference  2.048  volts 

Converter gain  2  n/a 

Figure 5.4 ‐ Absolute pressure sensing converter design 

The dynamic pressure sensor and other systems were designed using the same method. 

Existing  systems were analysed and  then  the  latest components were used  to  improve 

performance.  All  are  sampled  at  a  much  higher  precision  than  necessary  so,  when 

combined with careful layout and the use of clean power supplies this should make the 

most of the low‐cost sensors used. The results of this work are shown in section 5.4. 

5.3.2 Layout 

The components were brought together in a single circuit schematic shown in Appendix 

1  and  the  analogue  sections were  simulated. The  final  layout  of  the  FCS  is  shown  in 

Figure  5.5.  The  layout  required  careful  consideration  to  ensure  that  the  analogue 

performance  requirements were met  and  that  the board  fit  securely  in  the  enclosure. 

The board  is  four  layers, with power  and  ground planes  split  to  isolate  analogue  and 

digital sections. The power supplies are individually selected for each section to provide 

either very low noise for analogue or very high efficiency for digital sections. 

The  PCB  was  manufactured  and  the  majority  of  components  placed  by  Newbury 

Electronics Ltd [56]. 

Page 57: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

48 

 

 

 

 

Figure 5.5 ‐ FCS layout 

5.4 Results 

The completed system is shown in Figure 5.6. A few minor errata were corrected and the 

software was developed to read the sensors and perform other low‐level tasks. This has 

not  yet undergone  any  robustness  analysis or  testing  so  is not  suitable  to  control  the 

UAV. However,  it  is  possible  to measure  parameters  on  the  bench  and  to  assess  the 

performance of some devices statically. 

Page 58: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

To

pr

sa

co

th

Se

Ab

Ab

Gy

Gy

Ac

Th

w

se

gy

ax

o  assess  the

ressure  sen

amples).  Th

onverted  int

his analysis. 

ensor 

bsolute pre

bsolute pre

yroscope X

yroscope Y

cceleromet

he pressure

ould appea

ection  5.3.1,

yroscope sh

xis channel 

e  performa

nsor,  gyrosc

his  data  wa

to the real 

 

essure 

essure 

 X axis 

 Y axis 

ter X axis 

e  sensor noi

r  that using

  this  has  a

hows excelle

 making  thi

Figure 5

nce  of  the 

copes  and  a

as  then  pr

 number of 

Samp

Figure 5.7 ‐

ise‐floor  is 

g  the 24‐bit

  allowed  a 

ent perform

is well wort

 

 

5.6 ‐ Flight C

  sensor me

acceleromet

rocessed  to 

 bits being m

ple precisio

24.0 

1.7 

16.0 

16.0 

16.0 

‐ Results of F

  above  the  r

t converter 

  much  wide

mance with a

th convertin

Control Syste

asurement 

ters  were  s

  find  the 

measured. F

on  Measu

FCS sensor te

  resolution o

  is unnecess

er  dynamic 

 a maximum

ng  the signa

  techniques 

sampled  for

  standard  d

Figure 5.7 s

ured precis

15.6 

56.0 

13.2 

15.0 

10.8 

esting 

 of  a  16‐bit  c

sary. Howev

  range  to 

m of  15‐bit re

al at  16‐bit. 

  used  the  a

r  10  second

deviation  an

shows the re

sion  U

  converter  a

ver, as desc

  be  measur

esolution on

 The accele

49 

 

  absolute 

ds  (1000 

nd  then 

esults of 

Units 

bits 

mm 

bits 

bits 

bits 

and  so  it 

cribed  in 

red.  The 

n the Y‐

erometer 

Page 59: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

50 

 

 

 

performs  relatively  poorly  offering  little  advantage  over  using  a  10‐bit  converter.  It  is 

possible that an alternative part could be found to replace this in the future. 

One of the key requirements established in section 2.6 was for a range of > 1000 km. To 

help achieve this, as  few battery packs should be carried as possible, so the electronics 

should consume as  little power as possible. The board consumes around 2 watts when 

reading  all  sensors, processing  the data  and  transmitting over  the RF  link. Due  to  an 

error in the power supply layout it is currently only around 55% efficient where it should 

be 90%. This is easily corrected in future revisions of the board. Using the 4.5 Ampere‐

hour  battery  packs  described  in  section  4.6.1,  the  current  board  could  operate  for  13 

hours. 

5.5 Conclusions 

The  FCS  developed  for  the NOC  UAV  project  has  a  rich  feature  set  tailored  to  the 

specific needs of the project. All sensors are operational and more than 300,000 integer 

operations are available after data collection and  filtering  for every  loop of  the control 

algorithms. This is enough to execute the floating point Kalman filter and PDF controller 

used  by  Bennett.  Using  a  more  sophisticated  algorithm  for  control  would  require 

converting some or all of the algorithms to fixed point. The final specification is shown 

in Figure 5.8. The power consumption of <1.8 watts compares very well  to  that of  the 

Cloud Cap Piccolo [43] that draws 4.8 watts. Data collected by the FCS during  flight  is 

presented in Chapter 6. 

Feature  Quantity 

Processing  > 40 MIPS integer 

IMU  3 axis acceleration 

3 axis rotation 

3 axis magnetic 

GPS  WAAS/EGNOS enhanced at 4 Hz 

Barometric altitude  0 ‐> 1000 metres 

Dynamic pressure  0 ‐> 45 ms‐1  

RF communications  Range > 10 miles 

Black box  4 GB at 200 kBps 

Actuator control  8 channels 

Page 60: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

51 

 

 

 

Actuator monitoring  8 channels 

Pilot override  Integrated and independent (all channels) 

Power consumption  < 1.8 watts (operating) 

Figure 5.8 ‐ FCS feature list 

The FCS hardware is now ready for integration with the rest of the vehicle. While this is 

taking place, the control algorithms developed by Bennett will be adapted to operate on 

the new hardware with the aim of flying the trainer aircraft automatically. 

   

Page 61: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

52 

 

 

 

 

 

 

Chapter 6 

Instrumented Flight Test 

6.1 Introduction 

Flight test 4 on the 11th of September 2007 was unsuccessful  in that the vehicle seemed 

underpowered.  The  vehicle  was  accelerated  to  approximately  50 mph  before  release 

from  a  car‐mounted  cradle,  the  aircraft  then  climbed  for  around  5  seconds  before 

stalling and falling. However, the Flight Control System (FCS) was onboard the aircraft 

and  successfully  recorded  all  parameters,  allowing  the  vehicle’s  performance  to  be 

examined in detail.  

6.2 Performance analysis 

The engine performs as expected given  that  it  should  reach 5500 RPM  at  30 ms‐1 and 

there  seems  to  be no  reason  to  think  that  a  fuel/air  flow  or  throttle  problem  caused 

unusual performance. 

Figure 6.1 shows the speed of the vehicle in ms‐1 (red) and the engine RPM (blue) against 

time. Speed has been scaled by a  factor of 1.5, as the sensor had not been calibrated at 

the time of the test. The vertical green line indicates the point of release from the launch 

cradle,  to  the  left of  the  line  the  speed  can be  seen  increasing  as  the  car  accelerates. 

Initially the RPM drops as the car starts accelerating as when stationary a  large part of 

the propeller is stalled, reducing the torque required. After this, the RPM increases with 

Page 62: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

53 

 

 

 

speed. At 11 seconds, the car has reached 50 mph and then holds this speed and this  is 

shortly followed by the release. 

At release, the UAV is travelling at 22 ms‐1. According to the wind tunnel measurements 

for an all‐up‐mass of  11 kg,  this  forward  speed  is enough  to  support  the aircraft at an 

angle  of  attack  of  3  degrees.  After  release  the  speed  reduces  as  it  is  exchanged  for 

altitude and the engine RPM drops as it becomes more heavily loaded. 

The engine performs as expected given  that  it  should  reach 5500 RPM  at  30 ms‐1 and 

there  seems  to  be no  reason  to  think  that  a  fuel/air  flow  or  throttle  problem  caused 

unusual performance. 

Figure 6.1 ‐ Speed (red) and RPM (blue) 

Figure 6.2  shows  speed  (red)  and  altitude  (blue)  against  time. The  vertical  green  line 

indicates  the  point  of  release  from  the  cradle.  After  release,  the  vehicle  exchanges 

airspeed  for altitude climbing  to a peak of 25 m. The  two vertical cyan  lines mark  the 

period  that  the vehicle was climbing.  In  this period,  the average airspeed was  13.5 ms‐1 

and the climb rate was 5.95 ms‐1 giving a ratio of 1 in 2.2. The expected maximum climb 

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

Spe

ed (m

s-1)

Time (seconds)0 5 10 15 20 25

4000

4500

5000

5500

RP

M

Page 63: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

54 

 

 

 

rate that maintains constant airspeed is 1 in 20. After altitude peaks at 25 m, the aircraft 

is fully stalled and out of control. Some speed is regained during the descent but never 

enough to resume controlled flight. 

Figure 6.2 ‐ Speed (red) and Altitude (blue) 

6.3 Conclusions 

The  test  flight demonstrated  the value of data  logging with  the high performance FCS 

and  validated  this  unit’s  performance.  This  data  reveals  how  and  why  the  vehicle 

performed  as  it  did  which  could  not  be  assessed  visually  on  the  day  or  with  video 

footage. It also demonstrated that the vehicle was performing as expected but also that 

in its current state it will prove difficult to fly manually. It does not perform like a hobby 

aircraft  but  more  like  a  glider,  requiring  very  gentle  climbs  and  good  conditions. 

Watching the flight video (FlightTest4.avi on accompanying CD) it is impossible to tell 

that there is a problem until it is too late. The direction of flight, directly away from the 

pilot, means that the loss of airspeed cannot be seen and it appears to be climbing well 

0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

Spe

ed (m

s-1)

Time (seconds)0 5 10 15 20 25

0

5

10

15

20

25

30

Alti

tude

(m)

Page 64: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

55 

 

 

 

until it stalls. It may have been possible to recover at this time by putting the nose down 

and  gaining  speed  but  lack  of  authority  in  the  control  surfaces may  have made  this 

impossible. 

In  the short  term,  it will be necessary  to use a more powerful engine  to allow manual 

piloting  for  the  assessment of  the  airframes performance.  It may  also be necessary  to 

have more power available to cope with poor weather conditions.   

Page 65: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

56 

 

 

 

 

 

 

Chapter 7 

Payload Management 

7.1 Introduction 

Although this project is focussed on developing a UAV, the most important part of any 

mission will be the collection of the oceanographic data. Following the review of existing 

data logging systems 2.4.4 it was determined that a custom data recording and relaying 

system would be required. This is due to the requirement that the system must not only 

accurately record data during the  flight but also relay data to the research vessel when 

requested.  It may  also  be  beneficial  to  perform  some  simple  analysis  on  the  data  to 

identify features that may alter the flight plan. 

To provide  the sophisticated  features and  flexibility  required,  it was decided  to use an 

existing  data  logger  design  developed  at  the NOC  for  use  in  chemical  and  biological 

sensing  [45]. This  design would  need  to  be  adapted  to  suit  the  specific  needs  of  the 

project. 

7.2 Detailed requirements definition 

Version 1.1 of the Sensors Group Data Logger (SGDL) was designed for use in the Wave 

Buoy  project where high precision  analogue data was  time‐stamped  and  recorded  for 

deployments of  several days  at  a  time. The  specifications  for  the  logger  are  shown  in 

Figure 7.1. 

 

Page 66: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

57 

 

 

 

Parameter  Value  UnitsProcessor frequency  40  MHzAverage processing rate  10  MIPSStorage capacity (maximum)  4 GBStorage data rate (maximum)  100  kBpsFile systems supported  FAT32  ‐Analogue to digital resolution (see section 7.3.3)  16  bitAnalogue to digital voltage input swing  0 ‐> 5  VAnalogue to digital resolution  0.76  µVAnalogue to digital sample rate (maximum)  30  kSpsSensor reference  5 VTime–stamp resolution  1 secondTime­stamp drift  ≈ 5  min/yearExternal serial interfaces   RS232  2 ‐USB  0 ‐SPI  1 ‐I2C  0 ‐Supply voltage  8 ‐> 11  VPower consumption (operating)  1 WPower consumption (sleeping)  10  mW

Figure 7.1 ‐ Sensors Group Data Logger v1.1 specificatons 

The new  revision of  the SGDL will not only need  to  support operations as part of  the 

UAV payload but also the next generation of chemical sensors. This will add additional 

requirements to those of the UAV, these are: 

• Smaller physical size 

• More flexible voltage support (5 V ‐> 40 V) 

• Ultra low power consumptions sleep mode 

• Low power solenoid valve drivers 

• Stepper and DC motor drivers 

• Temperature monitoring 

• Constant current sources (temperature independent) 

• Ability to survive crushing forces 

During UAV  operation,  the  SGDL will  sit  at  the  centre  of  a mixture  of  sensor  types, 

distributing  information, relaying data and recording  information. Figure 7.2 shows an 

example of expected sensors and their interconnections. 

Page 67: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

58 

 

 

 

 

Figure 7.2 ‐ UAV sensors and interconnections 

7.3 Design 

For discussion purposes,  the  requirements have been grouped  into  sections of  related 

issues.  Each  of  these  sections  led  to  specific  design  decisions  that  shaped  the  final 

system. 

7.3.1 Physical size 

Version 1.1 of the SGDL was a single PCB with a footprint of 60 × 70 mm and a maximum 

height  of  20 mm.  The  new  generation  of  chemical  sensors  require  the  board  and  all 

connections to fit roughly within the area of a credit card 80 × 50 mm. This means that 

board  itself  will  need  to  be  even  smaller  than  that,  whilst  accommodating  the  new 

functionality required. To achieve this small footprint a two‐board system was designed, 

a primary processing board with general‐purpose connections and daughterboard with 

components and connections specific for each application.  

As the high‐power systems and high input voltage support (section 7.3.5) would only be 

required  by  the  chemical  sensing  applications,  these  systems  were  placed  on  the 

daughterboard. Stacking the boards means that height was a more important dimension 

than  in  v1.1. Due  to  this  and  the  increased number of  connections  to  the boards new 

miniature headers were selected reducing the maximum height of the boards to 12 mm. 

When  stacked  with  15 mm  spacers  this  gives  a  total  height  of  40 mm.  Figure  7.3  ‐ 

Page 68: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

59 

 

 

 

Technical drawing of SGDL v1.2Figure 7.3 shows a drawing of the stacked system, a more 

detailed drawing is in Appendix 3. 

 

Figure 7.3 ‐ Technical drawing of SGDL v1.2 

7.3.2 Voltage support and low power consumption 

In  some of  the  seaborne  sensor applications proposed, only very high DC voltages are 

available. To use  these  to power  the  small  actuators,  valves  and  the data  logger,  it  is 

necessary  to  reduce  them  to  a more  useful  level. This  reduction  is  achieved  in  three 

stages;  first,  the  conversion of  the high‐voltage  input  to  12  volts  is done using  a high 

efficiency,  switching DCDC  converter. This  is  located on  the daughterboard, as  it will 

only  be  needed  in  chemical  sensing  applications.  The  remaining  steps  are  both 

performed by the processing board, a high efficiency switching DCDC step down to 6V 

followed  by  a  low  noise  linear  regulator  to  supply  the  electronic  components.  This 

cascading approach allows maximum input voltage flexibility (5 volts ‐> 36 volts) whilst 

retaining high efficiency (≈ 90% per stage) and good noise performance in the analogue 

sections. 

To provide a  low power consumption mode,  the  regulators and most onboard devices 

can be shut down by the processor. The processor then enters sleep mode, reducing its 

Page 69: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

60 

 

 

 

own power  consumption considerably. There  is a  further mode where  supply  is  taken 

from a supplementary battery. This allows all regulation to be switched off, removing the 

energy losses from this process. The results of these efforts are described in section 7.4.2. 

7.3.3 Analogue measurement 

Analogue measurement with  the  SGDL  v1.1 was  very  successful,  giving  low noise data 

(≈15 bits) very reliably. It was decided to stay with the same analogue to digital converter 

family but to use a different version (ADS8345EB) that accepts a 2.5‐volt reference rather 

than  5  volt,  which  simplified  the  supply  requirements  as  well  as  allowing  a  more 

advanced reference (LT1790A) to be used. The analogue to digital system’s performance 

is characterised in section 7.4.1. 

7.3.4 Serial interfaces 

To  increase  the  flexibility  of  the  SGDL  additional  serial  interfaces  have  been  added 

including  I2C  and USB2.0  interfaces.  The USB2.0  interface  allows  rapid  download  of 

information stored on the MMC card at around 2.0 Mbps compared to 0.2 Mbps when 

using RS232. This will be  important  in applications where the card cannot be retrieved 

(perhaps  from  inside a pressure housing). The  I2C  interface  is used  for communication 

between stacked boards due to its flexible addressing technique. 

7.3.5 Driving high power devices 

A typical chemical sensor would include several valves and pumps to control fluid flow 

and occasionally a DC or stepper motor. Optimal control of all these devices is achieved 

by controlling the current  flowing  in their windings. In the case of the motors, a sense 

resistor is used to detect peak current and this is controlled by pulse width modulating 

the  output  signal.  To  reduce  the  standing  current  of  the  valves  and  pumps  they  are 

actuated using  their  full  rated voltage  for only a very  short period  (≈20 ms). This  can 

then be reduced to half the rated voltage to hold position. 

7.3.6 High pressure survivability 

A  common  failure  of  electronic  devices  under  pressure  is  the  electrolytic  capacitors 

crushing, so where possible, these were replaced with ceramic or tantalum capacitors. A 

footprint for a cylindrical crystal was included along with the surface mount, as these are 

reported to survive better. 

 

Page 70: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

61 

 

 

 

7.4 Results 

7.4.1 Analogue performance 

The majority of chemical sensors have an analogue output so making the best possible 

measurement of this signal is crucial to getting good performance from the system. The 

output  signals  are  typically  not  very  dynamic  but  require  a  very  precise  DC 

measurement. Using a Successive‐Approximation‐Register  (SAR)  type converter allows 

the most  flexibility  in conversion rate and  is simple  to multiplex so eight channels are 

available on a single device. 

Figure  7.4  shows  a histogram of  50,000  samples of  the  voltage  reference  taken  at 4.6 

kHz. Each bin represents a step of 7.6×10‐7 volts so the signal peak is 0.2 mV away from 

ideal. This offset could be due to a number of factors in the design but is small enough 

that the error is likely to be dominated by any filtering stage ahead of it. The combined 

system  error  could  be  removed  by  calibration.  The  maximum  device  performance 

quoted by the data sheet is for 96.3% codes occurring within one bin of the peak signal. 

The noise performance of the board is measured as 97.7% of codes. This improvement is 

probably  due  to  the  use  of  a  very  high‐performance  voltage  reference  both  for 

referencing the converter and supplying the voltage to be measured. 

Page 71: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

62 

 

 

 

 

Figure 7.4 ‐ Voltage reference measurement at 4.6 kHz 

A  disadvantage  of  a multiplexed  SAR  converter  is  cross  talk  between  channels.  The 

voltage  reference was measured  again  along with  a ground  connection on  the  second 

channel. This was performed at a  lower sample  rate of  1.7 kHz due  to communication 

limitations. The results of this experiment are shown in Figure 7.5 and the offset in the 

converter has increased by 0.15 mV towards ground. The noise performance is still very 

good at 92.9% of codes within one code of the peak. This change in performance could 

be reduced by ensuring that the analogue input is driven by a low impedance source and 

by increasing the acquisition time available to the converter. 

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

‐6 ‐5 ‐4 ‐3 ‐2 ‐1

Freq

uency

Bin

Page 72: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

63 

 

 

 

 

Figure 7.5 ‐ Voltage reference measurement at 1.7 kHz 

7.4.2 Power consumption 

In  low power sleep mode  the SGDL version  1.2  is currently drawing 42 mA (290 mW). 

This  is  low  enough  for  operation  as  a UAV  data  logger  however  not  enough  for  the 

chemical sensing application. The previous data logger could be reduced to less than 0.5 

mW. 

7.4.3 High pressure survival 

At the time of writing, it has not been possible to pressure test the new SGDL however, it 

has been successfully operated in oil. 

7.5 Conclusions 

The SGDL version  1.2 has  the capability  to control complex  systems over  long periods 

and record large quantities of high‐resolution data. Its use in the UAV project can now 

continue with an undergraduate project to source, purchase and install suitable sensors 

in  the  fuselage.  These  will  then  be  integrated  with  the  SGDL  to  provide  control, 

reporting  and  possibly  data  recording.  The  system  that  is  developed  will  then  be 

evaluated by  the doctorate  students on  the project and  some or all of  it  incorporated 

into the final design. 

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

‐8 ‐7 ‐6 ‐5 ‐4 ‐3

Freq

uency

Bin

Page 73: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

64 

 

 

 

To  improve  the  power  consumption  of  the  new  data  logger  a  new  board  will  be 

manufactured with some modifications to the USB interface.    

Page 74: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

65 

 

 

 

 

 

 

Chapter 8 

Conclusions and Future work 

8.1 Introduction 

In the first two years of this project, a great deal of progress has been made. The vehicle 

has been almost entirely redesigned and aerodynamic performance has been  improved 

leading to greater range and endurance. The vehicle meets the criteria set out in section 

2.2  and now needs  to  be  further developed  for  use  at  sea.  Future work will  focus  on 

improving the robustness of the vehicle. 

8.2 Conclusions 

After  four test  flights, the mark 2 vehicle design has still spent only a short amount of 

time in the air. The final flight included the recording of flight parameters and allowed 

analysis of  its performance  (section 6.2). The data  indicates  that  even  though human 

pilots  have  struggled,  the  vehicle  would  fly  with  the  current  propulsion  system. 

However, as many  initial  flights will be performed  in some part by a human pilot,  it  is 

necessary to ensure that they can fly it easily and safely. As such, a more powerful engine 

will be sourced  for testing. In the short  flights, the vehicle appeared well balanced and 

has good control authority on all surfaces. 

The  Flight  Control  System  (FCS)  performed well  on  its  first  test  flight  and  recorded 

detailed data  for  the entire  flight.  It also survived  the  impact of  the crash without any 

damage. This system is now ready for further software development and the addition of 

Page 75: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

66 

 

 

 

the control algorithms as part of the doctorate project by Bennett. The novel use of over‐

sampled,  low‐cost  sensors has paid off by providing data of a  resolution not available 

with commercial autopilots. 

8.3 Vehicle 

The development of the vehicle for use at sea will mostly be focussed around launch and 

recovery. A launcher based on an existing system used by ATS [57], one of the companies 

involved  as  part  of  a  commercial  steering  group  for  the  project  (see  section  8.6). 

Recovery preparation will focus on ensuring the payload bay is waterproof and designing 

a system to make grappling for the vehicle simple. 

Undergraduate students will design a new tail for the vehicle that can then be evaluated 

by the doctorate and supervisor team. More information on this project can be found in 

the project specification in Appendix 4. 

The method for characterising and assessing the performance of the propulsion system 

has been very successful; however, it now appears that criteria used for the design were 

not correct. An attempt will be made to analyse the requirements particularly regarding 

performance  in  poor  weather  conditions.  This  should  lead  to  a  more  detailed 

specification  that  can  then be  compared with  commercial engines and discussed with 

RCV [51] (see section 8.6). 

Manufacturing  improvements will  continue with  the development of new  tail moulds 

and once the design has more flight time, moving the wing manufacture to a sandwich 

construction with a support spar. 

8.4 Flight Control System 

Development of the existing flight control hardware will continue to ensure that all the 

functionality is working as expected and the hardware is robust to vibration, water and 

impact.  It  is  possible  that  the  system  could  fit  inside  a  smaller  enclosure  and  this 

possibility will be investigated if time allows. 

The critical aspects in FCS development are the addition of robust control algorithms for 

the  full size aircraft. These will be derived  from the work by Bennett on the algorithm 

Page 76: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

67 

 

 

 

development project. Demonstrating the reliability of the software will be essential. This 

will be done using MISRA  for  low‐level  code  and  SCADE  for  the  algorithmic  code  as 

described in section 5.2. Robustness for control surfaces is described in section 8.5. 

The new FCS can record detailed flight data and this can be fed back into the simulation 

for use  in system  identification and  improvement of control algorithms. This work will 

be  in collaboration with Bennett. Additional algorithmic development will continue as 

part of this project to include the monitoring of actuators and increasing robustness. 

8.5 Robustness and redundancy in surfaces 

In section 2.5, the most common area of  failure  in all UAVs  is the control surfaces. As 

these are so critical, there will be a special focus on making them as robust as possible. 

Following  the  approach determined  in Chapter  3,  low‐cost  actuators will be used but 

monitored very carefully to predict failure. Initially this work will involve the testing of 

hobby  actuators. Figure  8.1  shows  the  expected paths of  failure of  the  servos  and  the 

predicted method of detection.  

It may be possible  to apply Failure Mode, Effects and Criticality Analysis  (FMECA)  to 

evaluate  the  actuator  performance  and  software  tools  to  aide  with  this  will  be 

investigated. 

In addition to the work on the existing actuators, a new type of actuator using a linear 

stepper motor has been designed.  It  is not  clear  if  this will be  appropriate  for  all  the 

surfaces on the aircraft due to slow operation. However, it should be; more robust, use 

less power, be self‐monitoring, report performance data and cost less than £100. 

 

Page 77: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

68 

 

 

 

 

Figure 8.1 ‐ Actuator failure diagram 

8.6 Planning 

The work planned  for  the next  two  years of  the project will be  funded by  a proposal 

currently under  submission  to EPSRC. This  includes money  for  launcher development 

and  time  onboard  the  University  research  ship  Callista  to  perform  testing  at  sea.  If 

successful, the funding should be available from the start of 2008. 

As part of the proposal, a steering group of commercial companies has been assembled 

to  assist  with  identifying  and  pursuing  any  commercial  technologies  that  may  be 

developed.  The  group members  are  listed  in  Figure  8.2.  The  group  will meet  twice 

annually to discuss progress and help establish new goals. 

Company  Expertise 

QinetiQ   Developing and operating military UAVs 

Vosper‐Thorneycroft  Interested in using UAVs in civilian applications 

Response

Fault

Method of detection

Actuator failure

Mechanical failure

Gearbox sticks

Linkage to surfaceSurface sticks Gearbox free Servo

detaches

Electrical failure

InterferenceServo

electronics fail

No signalNo power

No response to commanded position, high current draw

Response to commanded position, low current draw

Position sensor shows

zero

No response to commanded position

Shut off servo to conserve power and transfer control effort to alternate surface

Continue to try and operate servo but transfer control effort to alternate surface

Erratic response

Report condition to base station for controlled termination of flight and add to black box record

Continue to try and operate servo but transfer control effort to alternate surface

Page 78: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

69 

 

 

 

ATS Group  Experts in UAV operation and piloting 

RCV Engines  Developers of rotating sleeve engines for UAVs 

Figure 8.2 ‐ Steering group members 

In addition to the existing proposal,  it  is hoped that a bid  for  funding may be made  in 

collaboration with RCV engines to develop their technology to make it more suitable for 

small fixed‐wing applications. 

   

Page 79: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

70 

 

 

 

 

 

References  

[1]  Pluck G, Waugh E, Gilbertson R, Hoen‐Teng L, Roberts S, McKinley M, et al. An 

Unmanned  Aerial  Vehicle  for  Oceanographic  Applications  [Masters  Thesis]. 

Southampton: University of Southampton, UK; 2003. 

[2]  Lomax AS, Corso W, Etro JF. Employing unmanned aerial vehicles (UAVs) as an 

element  of  the  Integrated  Ocean  Observing  System.    OCEANS,  Proceedings  of 

MTS/IEEE; 2005; 2005. p. 184‐90 Vol. 1. 

[3]  Peterson DL, Brass JA, Smith WH, Langford G, S. W, Dunagan S, et al. Platform 

options  for  free  flying‐satellites, UAVs or  the  ISS  for  remote  sensing assesment of  the 

littoral zone. International Journal of Remote Sensing. 2003 10/01/2003;24(13):2785‐804. 

[4]  Smith WL, Knuteson RO, Revercomb HE, Feltz W, Howell HB, Menzel WP, et al. 

Observations  of  the  IR  radiative  properties  of  the  ocean  ‐  Implications  for  the 

measurement of SST via satellite remote sensing. Bulletin of the American Meterological 

Society. 1996;77(1):41‐51. 

[5]  Jena B, Rao MV, Sahu BK. TRMM derived SST  in  the wake of a cyclonic storm 

over  the  central  Bay  of  Bengal.  International  Journal  of  Remote  Sensing. 

2006;27(14):3065‐72. 

[6]  Son S, Campbell J, Dowell M, Yoo S, Noh J. Primary production in the Yellow Sea 

determined by ocean color remote sensing. Marine Ecology Progress. 2005;303:91‐103. 

[7]  Wentz  FJ, Gentemann  C,  Smith D,  Chelton D.  Satellite Measurements  of  Sea 

Surface Temperature Through Clouds. Science. 2000 May 5, 2000;288(5467):847‐50. 

[8]  Nikon.  D200  digital  SLR  Specifications.    2007    [cited;  Available  from: 

http://www.europe‐nikon.com/product/en_GB/products/broad/1083/overview.html 

[9]  Indigo Systems. Photon  Infrared  camera  specifications.   2007    [cited; Available 

from: http://www.corebyindigo.com/products/core_photon.cfm 

Page 80: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

71 

 

 

 

[10]  Miles RT, Melhado JA, Hughes EW, Osiecki D. Air‐launched expendable micro‐

sized wave buoy.  Proceedings of MTS/IEEE Oceans. Honolulu, USA 2001. 

[11]  Smith R. MAXWB ‐ Air‐launched expendable wave buoy.  2007  [cited; Available 

from: http://www.neptunesci.com 

[12]  Stumpf  RP.  Applications  of  Satellite Ocean  Color  Sensors  for Monitoring  and 

Predicting Harmful Algal Blooms. Human and Ecological Risk Assessment. 2001;7(5):1363 

‐ 8. 

[13]  General Atomics, Predator B UAV.  2000  [cited; Available from: http://www.ga‐

asi.com/products/predator_b.php 

[14]  US  Military.  About  the  Predator  UAV.    2007    [cited;  Available  from: 

http://usmilitary.about.com/cs/afweapons/a/preditor.htm 

[15]  Carlson  BJ.  Past  UAV  program  failures  and  implications  for  current  UAV 

programs: Air command and staff college, Maxwell airforce base, USA; 2001. 

[16]  Insitugroup.  ScanEagle/SeaScan  UAV  Specifications.    2007    [cited;  Available 

from: http://www.insitu.com/prod_scaneagle.cfm 

[17]  AeroVironment.  Raven  UAV  Specification.    2007    [cited;  Available  from: 

http://www.aerovironment.com/UAS.asp 

[18]  Centaur  Seaplanes.  Gull  UAV  Specifications.    2007    [cited;  Available  from: 

http://www.centaurseaplane.com/gull/capabilities.htm 

[19]  Micropilot.  MP‐UAV  Autopilot  Specifications.    2007    [cited;  Available  from: 

http://www.micropilot.com/prod_uav.htm 

[20]  Pisanich G, Morris  S.  Fielding  an  amphibious UAV:  development,  results  and 

lessons learned.   Proceedings of the 21st digital avionics system conference; 2002; 2002. 

p. 8C4‐1 ‐> 8C4‐9. 

[21]  Centaur  Systems.  Gull  UAV  Capabilities.    2007    [cited;  Available  from: 

http://www.centaurseaplane.com/gull/capabilities.htm 

[22]  Advanced  Ceramics  Research.  Manta  B  UAV  Specifications.    2007    [cited; 

Available from: http://www.acrtucson.com/UAV/manta/index.htm 

[23]  MLB  Company.  Bat  UAV  Specifications.    2007    [cited;  Available  from: 

http://www.spyplanes.com/bat3specs.html 

[24]  How J, King E, Kuwata Y. Flight demonstrations of cooperative control for UAV 

teams.  Proceedings of the AIAA 3rd "Unmanned Unlimited" technical conference; 2004; 

Chicago, USA; 2004. 

Page 81: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

72 

 

 

 

[25]  King  ET.  Distributed  coordination  and  control  experiments  on  a  multi‐uav 

testbed; 2002. 

[26]  Holland GJ. The aerosonde  robotic aircraft: A new paradigm  for environmental 

observations. Bulletin of the American Meterological Society. 2001;82(5):889‐902. 

[27]  Elston  J,  Argrow  B,  Frew  E.  A  distributed  avionics  package  for  small  UAVs.  

Proceedings of Infotech@Aerospace; 2005; Arlington, USA; 2005. 

[28]  Bayraktar S, Fainekos GE, Pappas GJ. Experimental cooperative control of fixed‐

wing unmanned aerial vehicles.   Proceedings of  the 43rd  IEEE conference on Decision 

and Control 2004; Atlantis, Bahamas; 2004. 

[29]  Blue  Bear  Systems.    2006    [cited;  Available  from: 

http://www.bluebearsystems.com 

[30]  Platanitus G,  Shkarayev  S.  Integration  of  an  autopilot  for  a micro  air  vehicle.  

Proceedings of Infotech@Aerospace; 2005; Arlington, USA; 2005. 

[31]  UAV Navigation.  AP04  Autopilot  Specification.    2007    [cited;  Available  from: 

http://www.uavnavigation.com/uavprod/uavprod_01.htm 

[32]  Crossbow  Inertial  Systems. NAV420  family,  Inertial Measurement Units.    2007  

[cited; Available from: http://www.xbow.com/Products/productdetails.aspx?sid=206 

[33]  KVH  Inertial  Systems.  KVH  TG‐6000  FOG  based  Inertial Measurement  Unit.  

2007  [cited; Available from: http://www.kvh.com/pdf/TG_6000.Bro_10.03.pdf 

[34]  Analog Devices. iMEMS Gyroscopes Specifications.  2007  [cited; Available from: 

http://www.analog.com/en/subCat/0,2879,764%255F801%255F0%255F%255F0%255F,00.

html 

[35]  Scaysbrook  IW, Cooper SJ, Whitley ET. A miniature, gun‐hard MEMS  IMU  for 

guided projectiles, rockets and missiles.   Position Location and Navigation Symposium, 

2004 PLANS 2004; 2004; 2004. p. 26‐34. 

[36]  Spark  Fun.  6DOF  IMU  Specifications.    2007    [cited;  Available  from: 

http://www.sparkfun.com/commerce/product_info.php?products_id=8193 

[37]  Gebre‐Egziabher  D,  Hayward  RC,  Powell  JD.  Design  of multi‐sensor  attitude 

determination  systems.  IEEE  Transactions  on  Aerospace  and  Electronic  Systems. 

2004;40(2):627‐49. 

[38]  Kingston DB,  Beard RW. Real‐time  attitude  and  position  estimation  for  small 

UAVs  using  low‐cost  sensors.    Proceedings  of  AIAA  3rd  "Unmanned  Unlimited" 

Technical Conference; 2004; Chicago, USA; 2004. 

Page 82: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

73 

 

 

 

[39]  Niculescu M. Sensor fusion algorithms for unmanned air vehicles.   Information, 

decision and control conference. Adelaide, Australia 2002. 

[40]  Phelan RM. Automatic control systems. New York: Cornell University Press 1977. 

[41]  Bennett M, al e. Development of technologies for low‐cost oceanographic UAVs 

[Transfer]: University of Southampton; 2007. 

[42]  Dhaouadi R, Mohan N, Norum  L. Design  and  implementation  of  an  extended 

Kalman filter for the state estimation of a permanent magnet synchronous motor. IEEE 

Transactions on power electronics. 1991;6(3):491‐7. 

[43]  Cloud Cap Technologies. Piccollo 2 Specifications.   2007   [cited; Available from: 

http://www.cloudcaptech.com/piccolo_II.shtm 

[44]  Data  Loggers Online. DataTaker DT50  Specifications.    2007    [cited;  Available 

from: http://www.dataloggersonline.co.uk/datataker/dt50.htm 

[45]  Waugh  E.  Data  Logger  v1.2  User  Manual.  National  Oceanography  Centre, 

Southampton 2007. 

[46]  Civil Aviation Authority. CAP 722 ‐ Unmanned Aerial Vehicle Operations in UK 

airspace ‐ Guidance. CAA Publications. 2004. 

[47]  Casarosa  C,  al  e.  Impact  of  safety  requirements  on  the weight  of  civil UAVs. 

Aircraft engineering and aerospace technology. 2004;76(6):600‐6. 

[48]  Haddon DR, Whittaker CJ. Aircraft airworthiness certification standards for civil 

UAVs. Aeronautical Journal. 2003;107(1068):79‐86. 

[49]  Le  Tallec  C.  Visual  flight  rules  general  aviation  aircraft  and  UAV  flights 

deconfliction. Aerospace Science and Technology. 2005;9(6):495‐503. 

[50]  Endicott  G.  CFD  wing  optimisation  for  the  NOC  UAV:  University  of 

Southampton; 2006. 

[51]  RCV  Engines.  UAV  Engines  for  JP8  fuel.    2007    [cited;  Available  from: 

http://www.rcvengines.com/corporate/uav_applications.htm 

[52]  Automotive  Electronics  Council.  AEC  Standards  Documents.    2007    [cited; 

Available from:  

[53]  Green Hills Software. Integrity RTOS for DO178‐B.  2007  [cited; Available from: 

http://www.ghs.com/products/safety_critical/integrity‐do‐178b.html 

[54]  Esterel Technologies. SCADE Suite Specifications.   2007    [cited; Available  from: 

http://www.esterel‐technologies.com/products/scade‐suite/ 

[55]  Motor  Industry  Software  Reliability  Association.  MISRA  C  Guidelines.    2007  

[cited; Available from: http://www.misra‐c2.com/ 

Page 83: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

74 

 

 

 

[56]  Newbury Electronics. About Newbury Electronics.   2007   [cited; Available from: 

http://www.newburyelectronics.co.uk/ 

[57]  ATS Group.  2007  [cited; Available from: http://www.ats‐group.co.uk/ 

 

Page 84: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

Appendix 1 Flight Control System schematic 

   

Page 85: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

RTCK

RS232D_RXRS232D_TXRS232C_RXRS232C_TX

RS232B_TXRS232B_RX

CANA_TXCANA_RX

RS232A_TXRS232A_RX

I2C_sda

SPIA_misoI2C_scl

SPIA_mosiSPIA_sckSPIA_PCS0SPIA_PCS1SPIA_PCS2

SPIB_ss0

SPIB_miso

SPIB_sckSPIB_mosi

PD1PD2 / CLKOUT

PD0

TDI

TCK

XTAL

EXTAL

XFC

VddPLL

TDO

Reset

VddPLL

SW_flaps

SW_rudderSW_throttle

SW_elevator

Compass_ResetCompass_DRDY

naughty

naughty

max3222_nshdnmax3222_nenZGyro_ST1ZGyro_ST2

LED4

LED6

LED8

LED5

LED7

LED3

LED2

LED0LED1

g_sel1g_sel2

CAN_nen

CANB_TXCANB_RX

SPIA_PCSS

SPIA_PCS1SPIA_ss0SPIA_ss1SPIA_ss2SPIA_ss3SPIA_ss4

Mos1

SPIA_PCSS

A2D4_Busy

A2D2_BusyA2D3_Busy

A2D2_nCONVST

mmc_NOT_presentmmc_switch

PPS

FCS_aileron_sb

PA10

SPIA_PCS0

SPIA_PCS2

GPI_b0

GPI_b2

GPI_b3

RTC_Switch

int_RTC

GPI_b1

SW_aileron_sbMos0

SW_aileron_ptRXin_gearoverride

SD1_nDRDY

nTRSTResetTCK

TDO TDI

TMS

TMS

AC4868_upreset

AC4868_CMDDATAC4868_CTS

SD0_nDRDY

A2D3_nCONVST

A2D4_nCONVST

FCS_rudder

FCS_elevator

FCS_flapsFCS_throttle

FCS_aileron_pt

SS0_nSYNCSS0_nRST

SS1_nRSTSS1_nSYNC

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V+D3.3V

+D3.3V

RS232B_RXRS232B_TXRS232A_RXRS232A_TX

RS232D_RXRS232D_TXRS232C_RXRS232C_TX

CANA_TXCANA_RX

I2C_sdaI2C_scl

SPIA_misoSPIA_mosiSPIA_sck

SPIB_ss0

SPIB_misoSPIB_mosiSPIB_sck

SW_rudderSW_throttle

SW_elevatorSW_flaps

Compass_ResetCompass_DRDY

max3222_nshdnmax3222_nen

ZGyro_ST1ZGyro_ST2

LED4

LED6

LED8

LED5

LED7

LED3

LED2

LED0LED1

g_sel1g_sel2

CAN_nen

CANB_TXCANB_RX

SPIA_ss0SPIA_ss1SPIA_ss2SPIA_ss3SPIA_ss4

Mos1

A2D4_Busy

A2D2_BusyA2D3_Busy

A2D2_nCONVST

mmc_NOT_presentmmc_switch

PPS

FCS_aileron_sb

PA10

GPI_b0

GPI_b2

GPI_b3

RTC_Switch

int_RTC

GPI_b1

SW_aileron_sbMos0

SW_aileron_ptRXin_gearoverride

SD1_nDRDY

AC4868_upreset

AC4868_CMDDATAC4868_CTS

SD0_nDRDY

A2D3_nCONVST

A2D4_nCONVST

FCS_rudder

FCS_elevator

FCS_flapsFCS_throttle

FCS_aileron_pt

SS0_nSYNCSS0_nRST

SS1_nRSTSS1_nSYNC

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> 1.1

Flight Control System - Core

A3

1 8Friday, November 17, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> 1.1

Flight Control System - Core

A3

1 8Friday, November 17, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> 1.1

Flight Control System - Core

A3

1 8Friday, November 17, 2006

Ideal value is 7600pF but it does not exist, 7600 +-10% (typical cap tolerance) is 6840 -> 8360pF.

D1 RA-LEDD1 RA-LED

C1327pF

C1327pF

R2010KR2010K

R14 10KR14 10K

EXTAL TP1EXTAL TP11

U66

74AHC1G04

U66

74AHC1G04

24

53

1

R16 180RR16 180R

C111nF

C111nF

C21220nF

C21220nF

C20

220nF

C20

220nF

Y1

4 MHz

Y1

4 MHz

R1810KR1810K

C29100nF

C29100nF

D2 RA-LEDD2 RA-LED

R106k8R106k8

TP_PCS1TP_PCS1

1

C18

220nF

C18

220nF

C45

220nF

C45

220nF

C1227pF

C1227pF

J17

JTAG

J17

JTAG

246810

13579

TP_PCS2TP_PCS2

1

IO - 113 pins

U1B

MAC7116VAG50

IO - 113 pins

U1B

MAC7116VAG50

TA_AS79PA0_MCKO138PA1_EVTO137PA2_EVTI136PA3_MDO0135PA4_MDO1134PA5_MSEO133PA6_RDY132PA798PA897PA996PA1095PA1194PA1293PA1367PA1466PA1565

PB0_SDA15PB1_SCL16PB2_SINA17PB3_SOUTA18PB4_SCKA19PB5_PCS0A_SSA20PB6_PCS1A21PB7_PCS2A22PB8_PCS5A_PCSSA23PB9_PCS0B_SSB72PB10_PCS5B_SSB73PB11_PCS2B74PB12_PCS1B75PB13_SCKB76PB14_SOUTB77PB15_SINB78

PC09PC110PC211PC312PC428PC529PC630PC731PC844PC945PC1046PC1147PC1288PC1389PC1490PC1591

PD0_MODB70PD1_MODA71PD2_XCLKS80PD3_XIRQ81PD4_IRQ82PD592PD6119PD7120PD8121PD9122PD10123PD1168PD1269PD1383PD1484PD1585

PE0_ANA0_MCKO' 99PE1_ANA1_EVTO' 100PE2_ANA2_EVTI' 101

PE3_ANA3_MDO0' 102PE4_ANA4_MDO1' 103PE5_ANA5_MSEO' 104

PE6_ANA6_RDY' 105PE7_ANA7 106PE8_ANA8 107PE9_ANA9 108

PE10_ANA10 113PE11_ANA11 114PE12_ANA12 115PE13_ANA13 116PE14_ANA14 117PE15_ANA15 118

PF0_eMIOS0_NEXPS 43PF1_eMIOS1_NEXPR 42

PF2_eMIOS2 41PF3_eMIOS3 40PF4_eMIOS4 39PF5_eMIOS5 38PF6_eMIOS6 37PF7_eMIOS7 36PF8_eMIOS8 35PF9_eMIOS9 34

PF10_eMIOS10 33PF11_eMIOS11 32PF12_eMIOS12 27PF13_eMIOS13 26PF14_eMIOS14 25PF15_eMIOS15 24

PG0_RXDB 141PG1_TXDB 142PG2_RXDA 143PG3_TXDA 144

PG4_CNTXA 1PG5_CNRXA 2PG6_CNTXB 7PG7_CNRXB 8PG8_CNTXC 3PG9_CNRXC 4

PG10_CNTXD 5PG11_CNRXD 6

PG12_RXDD 51PG13_TXDD 52PG14_RXDC 139PG15_TXDC 140

R11

10K

R11

10K

C19

220nF

C19

220nF

R13 10KR13 10K

C16 220nFC16 220nF

Power and clocks - 31pins

U1A

MAC7116VAG50

Power and clocks - 31pins

U1A

MAC7116VAG50

EXTAL60XTAL61XFC58RESET48TDI128TDO129TCK130TMS131

VssX 13VddX 14VddX 50

VssX 49

Vdd2.5 53Vss2.5 54

VssR55VddR56

VddPLL 57VssPLL 59

VssX 63

VddX 64

VssX 86

VddX 87VddA109VRH110VRL111VssA112

VddX 124

VssX 125

Vss2.5 126

Vdd2.5 127

Test62

R15 180RR15 180R

C108200pFC108200pF

C17

220nF

C17

220nF

C15 220nFC15 220nFC14 220nFC14 220nF

R12 10KR12 10K

R1710KR1710K

U50

74HC137

U50

74HC137

A0 1A1 2A2 3LE 4

E1 5E2 6

Y77GND 8

Y69 Y510 Y411 Y312 Y213 Y114 Y015

Vcc 16

R1910KR1910K

Page 86: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A AVbat

RTC_scl

RTC_sda

int_RTC

I2C_scl

I2C_sdaI2C_scl

I2C_sdaI2C_scl

A2D2_BusyA2D2_nCONVST

A2D3_BusyA2D3_nCONVST

throttle_I_f

elevator_sb_I_felevator_pt_I_f

rudder_sb_I_frudder_pt_I_f

aileron_sb_I_faileron_pt_I_f

I2C_sdaRTC_sclRTC_sda

A2D4_BusyA2D4_nCONVST

I2C_sdaI2C_scl

flap_sbob_I_f

flap_sbib_I_f

flap_ptob_I_fCurrent_Sense_f

flap_ptib_I_f

aileron_sb_pos_f

rudder_sb_pos_f

rudder_pt_pos_f

elevator_pt_pos_f

flap_ptob_pos_f

rudder_pt_pos_f

elevator_pt_pos_f

flap_ptob_pos_f

Vin_meas

flap_sbob_I_f

flap_ptob_I_fflap_ptib_I_f

Current_Sense_f

flap_ptob_pos_f

rudder_sb_I_faileron_pt_I_f

throttle_I_f

rudder_pt_I_f

rudder_pt_pos_f

flap_sbib_I_f

elevator_pt_I_faileron_sb_I_f

elevator_sb_I_f

elevator_pt_pos_f

aileron_sb_pos_frudder_sb_pos_felevator_sb_pos_f

throttle_pos_faileron_pt_pos_f

flap_ptib_pos_fflap_sbob_pos_fflap_sbib_pos_f

throttle_pos_f

elevator_sb_pos_f

aileron_pt_pos_faileron_pt_pos_f

flap_sbib_pos_f

flap_sbob_pos_f

flap_ptib_pos_f

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+A3.3V2

+A3.3V2

+A3.3V2

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+A3.3V2

+A3.3V2

+A3.3V2

+A3.3V2+A3.3V2 +A3.3V2

+A3.3V2+A3.3V2

+A3.3V2

+A3.3V2

+A3.3V2

+A3.3V2

+A3.3V2

+A3.3V2

+A3.3V2

+A3.3V2

I2C_sda

I2C_scl

int_RTC

A2D2_BusyA2D2_nCONVST

A2D3_BusyA2D3_nCONVST

throttle_I

elevator_pt_I elevator_sb_I

rudder_pt_I rudder_sb_I

aileron_pt_I aileron_sb_I

aileron_sb_pos

elevator_pt_pos

Vbat

RTC_Switch

A2D4_BusyA2D4_nCONVST

flap_ptob_pos

flap_sbob_I

flap_ptob_I

flap_sbib_I

Current_Sense

flap_ptib_I

rudder_sb_pos

rudder_pt_pos

Vin_meas

throttle_pos

elevator_sb_pos

aileron_pt_pos

flap_sbib_pos

flap_sbob_pos

flap_ptib_pos

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> 1.0

Autopilot - I2C Bus

A2

2 8Thursday, December 14, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> 1.0

Autopilot - I2C Bus

A2

2 8Thursday, December 14, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> 1.0

Autopilot - I2C Bus

A2

2 8Thursday, December 14, 2006

Address = 1101000x

Address = 101000xx

Address = 0100011x

Address = 0100100x

Address = 0100000x

Current sense inputs

Position sense inputs

R28

820R

R28

820R

C43

4u7F

C43

4u7F

R155DP

R155DP

R7

820R

R7

820R

-

+

U77A

LMV324-

+

U77A

LMV324

12

3

411

C1601uFC1601uF

C3

4u7F

C3

4u7F

C34

4u7F

C34

4u7F

R392k2R392k2

C35

4u7F

C35

4u7F

C30

4u7F

C30

4u7F

R25

820R

R25

820R

C38

4u7F

C38

4u7F

C40

100nF

C40

100nF

R168 820RR168 820R

C8

4u7F

C8

4u7F

R166 820RR166 820R

C2

4u7F

C2

4u7F

C46 100nFC46 100nF

R152 820RR152 820R

U43

MAX323

U43

MAX323

GND 4VCC8

NO1 1NO2 5COM12

COM26

IN17IN23

R26

820R

R26

820R

C36

100nF

C36

100nF

R163DP

R163DP

C6

4u7F

C6

4u7F

-

+

U77B

LMV324

-

+

U77B

LMV324

76

5

411

R154 820RR154 820R

-

+

U80D

LMV324

-

+

U80D

LMV324

1413

12

411

C26

100nF

C26

100nF

R157DP

R157DP

C33

4u7F

C33

4u7F

R147DP

R147DP

R159DP

R159DP

R71

100R

R71

100R

R23

100R

R23

100R

C27

4u7F

C27

4u7F

R150 820RR150 820R

R149DP

R149DP

C23

4u7F

C23

4u7F

C39

4u7F

C39

4u7F

-

+

U78A

LMV324

-

+

U78A

LMV324

12

3

411

R12510kR12510k

R8

820R

R8

820R

C44

4u7F

C44

4u7F

R6

820R

R6

820R

R161DP

R161DP

C51

100nF

C51

100nF

U6

FM24CL64

U6

FM24CL64

NC1A12A23Vss4

Vdd 8

SDA 5SCL 6WP 7

C1581uFC1581uF

-

+

U77C

LMV324

-

+

U77C

LMV324

89

10

411

R29

820R

R29

820R

R4010kR40

10k

R24

820R

R24

820R

C42

4u7F

C42

4u7F

R32

100R

R32

100R

R165DP

R165DP

R22

820R

R22

820R

C4

4u7F

C4

4u7F

R148 820RR148 820R

C31

4u7F

C31

4u7F

-

+

U78D

LMV324

-

+

U78D

LMV324

1413

12

411

R156 820RR156 820R

R158 820RR158 820R

U7Battery

U7Battery

+2

-1

-

+

U80B

LMV324

-

+

U80B

LMV324

76

5

411

R9

820R

R9

820R

-

+

U80C

LMV324

-

+

U80C

LMV324

89

10

411R153

DPR153

DP

C47 100nFC47 100nF

R164 820RR164 820R

U4

AD7998BRUZ-1

U4

AD7998BRUZ-1

AGND 1

Vdd 2

AGND 3AGND 4

Vdd 5

REFin 6

Vin17

Vin214

Vin38

Vin413

Vin59

Vin612

Vin710

Vin811 AS 15

CONVST16 Alert_Busy17

SDA18SCL19 AGND 20

R151DP

R151DP

U5

DS1339C_16P

U5

DS1339C_16P

NC4 4NC5 5

VBACKUP14 GND 15

SDA16

SCL 1

SQW/INT2

VCC3

NC6 6NC7 7NC8 8NC9 9

NC10 10NC11 11NC12 12NC13 13

C5

4u7F

C5

4u7F

R27

820R

R27

820R

-

+

U77D

LMV324

-

+

U77D

LMV324

1413

12

411

C7

4u7F

C7

4u7F

C122

100nF

C122

100nF

-

+

U78B

LMV324

-

+

U78B

LMV324

76

5

411

C37 100nFC37 100nF

C9

4u7F

C9

4u7F

R162 820RR162 820R

C1591uFC1591uF

C123

100nF

C123

100nF

C32

4u7F

C32

4u7F

U3

AD7998BRUZ-1

U3

AD7998BRUZ-1

AGND 1

Vdd 2

AGND 3AGND 4

Vdd 5

REFin 6

Vin17

Vin214

Vin38

Vin413

Vin59

Vin612

Vin710

Vin811 AS 15

CONVST16 Alert_Busy17

SDA18SCL19 AGND 20

R167DP

R167DP

C28

4u7F

C28

4u7F

R160 820RR160 820R

R382k2R382k2

R5

820R

R5

820R

-

+

U78C

LMV324

-

+

U78C

LMV324

89

10

411

R9210kR9210k

U8

AD7998BRUZ-1

U8

AD7998BRUZ-1

AGND 1

Vdd 2

AGND 3AGND 4

Vdd 5

REFin 6

Vin17

Vin214

Vin38

Vin413

Vin59

Vin612

Vin710

Vin811 AS 15

CONVST16 Alert_Busy17

SDA18SCL19 AGND 20

-

+

U80A

LMV324

-

+

U80A

LMV324

12

3

411

C24

100nF

C24

100nF

R9310kR9310k

C53

100nF

C53

100nF

C1

4u7F

C1

4u7F

Page 87: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

RXin_flaps

RXin_throttle

RXin_aileron_pt

RXin_elevator

RXin_rudder

RXin_aileron_sb

FCS_aileron_pt

FCS_rudder

FCS_throttle

FCS_elevator

FCS_aileron_sb

FCS_flaps

aileron_ptaileron_sbelevator

rudder

throttleflaps

OP_aileron_ptOP_aileron_sbOP_elevator_ptOP_elevator_sb

OP_rudder_sb

OP_throttleOP_flap_sbibOP_flap_sbob

OP_flap_ptobOP_flap_ptib

OP_PA10

rudder

throttle

aileron_pt

aileron_sb

elevator

flaps

PA10

RXin_elevator

RXin_flapsRXin_rudder RXin_gear

RXin_throttleRXin_aileron_sb

RXin_aileron_pt

OP_rudder_pt

SW_rudder

SW_throttle

SW_flaps

SW_aileron_pt

SW_aileron_sb

SW_elevator

override

override

override

override

override

override

RXin_gear

override

+D3.3V

+D3.3V

+D5V +D5V

+D5V

+D5V

+D5V

+D5V

+D5V

+D5V

+D3.3V

+D3.3V

+D5V

+D5V

+D3.3V+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

FCS_aileron_pt

FCS_aileron_sb

FCS_rudder

FCS_throttle

FCS_elevator

FCS_flaps

PA10

RXin_gear

SW_rudder

SW_throttle

SW_flaps

SW_aileron_pt

SW_aileron_sb

SW_elevator

override

OP_aileron_ptOP_aileron_sbOP_elevator_ptOP_elevator_sbOP_rudder_ptOP_rudder_sb

OP_throttleOP_flap_sbibOP_flap_sbobOP_flap_ptibOP_flap_ptobOP_PA10

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCod

Servos

A3

3 8Thursday, December 14, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCod

Servos

A3

3 8Thursday, December 14, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCod

Servos

A3

3 8Thursday, December 14, 2006

D6

TS4148

D6

TS4148

R136

2k

R136

2k

D9

TS4148

D9

TS4148

U71

74LVC08

U71

74LVC08

1A11B2

1Y 32A42B5 2Y 6

GND7

3Y 8

3A93B10

4Y 11

4A124B13

VCC 14

C114

100nF

C114

100nF

+C12510uF

+C12510uF

R9510kR9510k

R96

10k

R96

10k

C117

100nF

C117

100nF

-

+

U75A

MC33202-

+

U75A

MC33202

12

3

48

R139 51kR139 51k

R9810kR9810k

C163

100nF

C163

100nF

D10

TS4148

D10

TS4148

U37

74HC4053_16SO

U37

74HC4053_16SO

B1 1B0 2

C13COM OUT/IN CN4

IN/OUT C05 E6VEE 7GND 8

VCC16

BN 15

AN 14A1 13A0 12

S011S110S29

-

+

U75B

MC33202-

+

U75B

MC33202

76

5

48

C1651uFC1651uF

D5

TS4148

D5

TS4148

R1372kR1372k

U36

74HC4053_16SO

U36

74HC4053_16SO

B1 1B0 2

C13COM OUT/IN CN4

IN/OUT C05 E6VEE 7GND 8

VCC16

BN 15

AN 14A1 13A0 12

S011S110S29

D4

TS4148

D4

TS4148

R10010k

R10010k

D7

TS4148

D7

TS4148

R1406.2k

R1406.2k

R14112kR14112k

R99

10k

R99

10k

R13812kR13812k

J14

Hobby RX

J14

Hobby RX

2468

10

13579

ABCD

U39

74HC4050

U39

74HC4050

VCC 1

IY 2

1A3

2Y 4

2A5

3Y 6

3A7

GND8

4A9

4Y 105A11

5Y 12

NC113

6A14

6Y 15

NC216

C164

100nF

C164

100nF

U72

74LVC08

U72

74LVC08

1A11B2

1Y 32A42B5 2Y 6

GND7

3Y 8

3A93B10

4Y 11

4A124B13

VCC 14

D8

TS4148

D8

TS4148

C166

100nF

C166

100nF

-

++

-

U73

LMC7211

-

++

-

U73

LMC7211

1

2

3

4

5

C115

100nF

C115

100nF

C124100nFC124

100nF

U38

74HC4050

U38

74HC4050

VCC 1

IY 2

1A3

2Y 4

2A5

3Y 6

3A7

GND8

4A9

4Y 105A11

5Y 12

NC113

6A14

6Y 15

NC216

R9410kR9410k

C116

100nF

C116

100nF

R9710kR9710k

R134

330k

R134

330k

Page 88: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

Supply_Gnd

GPI0

GPI1

LED5

LED8

LED3LED1 LED0

LED7LED6 LED4

LED2

Power_In

Mos1

Mos0

OP_PA10

GPI3GPI2

Mos1_S

RS232A_TX_ext

Compass_DRDY

Compass_Reset

SPIA_misoSPIA_mosi

SPIA_ss4SPIA_sck

Mos1_SCANL_BCANH_B

CANL_ACANH_A

OP_flap_ptob

rudder_sb_pos

aileron_pt_pos

OP_flap_sbib

OP_throttle

OP_rudder_pt

GPI0

GPI3

GPI1GPI2 GPI_b0

GPI_b1GPI_b2GPI_b3

OP_elevator_ptOP_aileron_sb

OP_elevator_sbOP_flap_sbobOP_flap_ptib

OP_aileron_pt

OP_rudder_sb

RS232B_TX_ext

RS232A_RX_ext

RS232B_RX_ext

flap_ptib_I flap_sbob_posflap_sbib_pos

flap_ptob_I

flap_sbob_I

throttle_I

rudder_sb_Iaileron_pt_Irudder_pt_I

elevator_sb_I

elevator_pt_I

flap_sbib_Iaileron_sb_I

aileron_sb_pos

elevator_sb_pos

flap_ptib_pos

throttle_posflap_ptob_pos

rudder_pt_pos

elevator_pt_pos

+D3.3V

+D3.3V

Supply_Gnd

LED5

LED8

LED3LED1 LED0

LED7LED6 LED4

LED2

Power_In

Mos1

Mos0

RS232A_TX_ext

Compass_DRDY

Compass_ResetSPIA_mosiSPIA_miso

SPIA_ss4SPIA_sck

CANL_BCANH_B

CANL_ACANH_A

rudder_sb_pos

aileron_pt_pos

GPI_b0GPI_b1GPI_b2GPI_b3

OP_rudder_pt

OP_PA10OP_flap_sbib

OP_flap_ptobOP_throttle

OP_elevator_ptOP_aileron_sb

OP_elevator_sbOP_flap_sbobOP_flap_ptib

OP_aileron_pt

OP_rudder_sb

RS232B_TX_ext

RS232A_RX_ext

RS232B_RX_ext

flap_ptib_I flap_sbob_posflap_sbib_pos

flap_ptob_I

flap_sbob_I

throttle_I

rudder_sb_Iaileron_pt_Irudder_pt_I

elevator_sb_I

elevator_pt_I

flap_sbib_Iaileron_sb_I

aileron_sb_pos

elevator_sb_pos

flap_ptib_pos

throttle_posflap_ptob_pos

rudder_pt_pos

elevator_pt_pos

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCod

Off board connections

A3

3 8Thursday, November 16, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCod

Off board connections

A3

3 8Thursday, November 16, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCod

Off board connections

A3

3 8Thursday, November 16, 2006

R86 180RR86 180R

R84 180RR84 180R

J7SPIA_ss4 J7SPIA_ss412

R83180R R83180R

R91 180RR91 180R

U41

74HC4050

U41

74HC4050

VCC 1

IY 2

1A3

2Y 4

2A5

3Y 6

3A7

GND8

4A9

4Y 105A11

5Y 12

NC113

6A14

6Y 15

NC216

R89180R R89180R

J15

Led Header

J15

Led Header

2468101214

13579

1113

R85180R R85180R

C128

100nF

C128

100nF

R87180R R87180R

J6SPIA_sck J6SPIA_sck12

U56

ZXMN3B04N8TA

U56

ZXMN3B04N8TA

S1 S2 S3 G4 D 5D 6D 7D 8

J9 SPIA_mosiJ9 SPIA_mosi1 2

U70

ModICE

U70

ModICE

A1A1A2A2A3A3

B1B1B2B2B3B3

C1C1C2C2C3C3

D1D1D2D2D3D3

E1E1E2E2E3E3

F1 F1F2 F2F3 F3

G1 G1G2 G2G3 G3

H1 H1H2 H2H3 H3

J1 J1J2 J2J3 J3

K1 K1K2 K2K3 K3

J8 SPIA_misoJ8 SPIA_miso1 2

R88180R R88180R

U69

ModICE

U69

ModICE

A1A1A2A2A3A3

B1B1B2B2B3B3

C1C1C2C2C3C3

D1D1D2D2D3D3

E1E1E2E2E3E3

F1 F1F2 F2F3 F3

G1 G1G2 G2G3 G3

H1 H1H2 H2H3 H3

J1 J1J2 J2J3 J3

K1 K1K2 K2K3 K3

R82180R R82180R

R90 180RR90 180R

U55

ZXMN3B04N8TA

U55

ZXMN3B04N8TA

S1 S2 S3 G4 D 5D 6D 7D 8

Page 89: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

Power_In

Current_Sense

Vin_meas

+U6V +A3.3V

+A5V

+D3.3V

+D5V

+A3.3V2Supply_Gnd

Power_In

Current_Sense

Vin_meas

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

<Title>

A3

4 8Monday, December 04, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

<Title>

A3

4 8Monday, December 04, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

<Title>

A3

4 8Monday, December 04, 2006

Title

Size Document Number

Date: Sheet of

<Doc>

<Title>

A3

4Monday, December 04, 2006

Title

Size Document Number

Date: Sheet of

<Doc>

<Title>

A3

4Monday, December 04, 2006

Title

Size Document Number

Date: Sheet of

<Doc>

<Title>

A3

4Monday, December 04, 2006

U51

REG102-3.3

U51

REG102-3.3

Vout 1Vout 2

NR 3Enable5 Gnd 4

Vin7 Vin8

NC6

CL322uF

CL322uF

+22uF

+22uF

+D3.3V+D3.3V

1

J18Gnd ConnectJ18Gnd Connect

12

L1

6.2uH

L1

6.2uH

R143

2k

R143

2k

+ CT168uF

+ CT168uF

U57

REG102-3.3

U57

REG102-3.3

Vout 1Vout 2

NR 3Enable5 Gnd 4

Vin7 Vin8

NC6

R1421k8R1421k8

C15010nFC15010nF

TP4TP41

R441MR441M

TP1TP11

U53

TPS62046 - 3.3V DCDC 1.2A

U53

TPS62046 - 3.3V DCDC 1.2A

Enable1

Vin2Vin3

Gnd4

FB 5

Mode6

SW (Vout) 7SW (Vout) 8

PGnd 9PGnd 10

+22uF

+22uF

J12 3.3V OutJ12 3.3V Out1 2

LD1085 OutLD1085 Out

1

CL122uF

CL122uF

R4133kRR4133kR

L2

6.2uH

L2

6.2uH

R47Zero OhmR47Zero Ohm

TP3TP31

J16 5V OutJ16 5V Out1 2

R130Don't PlaceR130Don't Place

C16110nFC16110nF

INA139NA

U12

INA139NA

U12

OUT 1

GND 2

VIN+3

VIN-4

V+5

C148470pFC148470pF

C153100nFC153100nF

TP2TP21

R42

0.02 Ohm - 1206 - 0.5W

R42

0.02 Ohm - 1206 - 0.5W

R13236KR13236K

Q1IRLML5203Q1IRLML5203

C25

4u7F

C25

4u7F

R45300RR45300R

7805 Out7805 Out

1

U68

LD1085V33

U68

LD1085V33

GND

1

IN3 OUT 2

R133Don't PlaceR133Don't Place

+D5V+D5V

1

+ CT322uF

+ CT322uF

R49Zero OhmR49Zero Ohm

D3Pwr_LED

D3Pwr_LED

C15110nFC15110nF

CL222uF

CL222uF

CL422uF

CL422uF

C162100nFC162100nF

U54

TPS62040 - Adj V DCDC 1.2A

U54

TPS62040 - Adj V DCDC 1.2A

Enable1

Vin2Vin3

Gnd4

FB 5

Mode6

SW (Vout) 7SW (Vout) 8

PGnd 9PGnd 10C14747pFC14747pF

U52

REG102-5

U52

REG102-5

Vout 1Vout 2

NR 3Gnd 4Enable5 NC6 Vin7 Vin8

C152100nFC152100nF

R50Zero OhmR50Zero Ohm

R131330KR131330K

U67

MC7805C/TO

U67

MC7805C/TO

IN1 OUT 2GND3

Page 90: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

sd_clk

sd_clk

SPIA_mosi

SPIA_miso

SPIA_sckSD0_nDRDY

SPIA_ss0

SPIA_sck

SPIA_ss1

SPIA_mosi

SD1_nDRDYSPIA_miso

SS0_nRSTSS0_nSYNC

SS1_nRSTSS1_nSYNC

+A5V

+D3.3V

+A5V

+A5V

+A5V

+A5V

+A5V

+D3.3V+A5V

+A5V

SPIA_mosi

SPIA_miso

SPIA_sckSD0_nDRDY

SPIA_ss0

SPIA_sck

SPIA_ss1

SPIA_mosi

SD1_nDRDYSPIA_miso

SS0_nRSTSS0_nSYNC

SS1_nRSTSS1_nSYNC

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> 0.9

Pressure Sensing

A3

5 8Friday, November 17, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> 0.9

Pressure Sensing

A3

5 8Friday, November 17, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> 0.9

Pressure Sensing

A3

5 8Friday, November 17, 2006

C140100nFC140100nF

C1431uFC1431uF

R126

100R

R126

100R

U62

LT1790A-1.25

U62

LT1790A-1.25

Gnd 1Gnd 2NC3

NC5

Vin 4Vout6

C1411uF

C1411uFC135

100pFC135

100pF

C1341uF

C1341uF

U58

LT1790A-3.3

U58

LT1790A-3.3

Gnd1Gnd2 NC 3

NC 5

Vin4 Vout 6

C127 100nFC127 100nF

C126100nFC126100nF

C1121uFC1121uF

C1131uFC113

1uF

C130100nFC130100nF

R135100RR135100R

C129100pFC129100pF

C641uFC64

1uF

R144100RR144100R

C144100pFC144100pF

R145100RR145100R

C5418pFC5418pF

C136100nFC136

100nF

C1111uFC111

1uF

C137100nFC137100nF

CL522uF

CL522uF

CL1022uFCL1022uF

CL622uF

CL622uF

CL8

22uF

CL8

22uF

R146100RR146100R

HoleHole

1

C138 100nFC138 100nF

Y27.68 MHz

Y27.68 MHz

C131100pFC131

100pF

C139100pFC139100pF

C4118pFC41

18pF

U44

ADS1255

U44

ADS1255

AGND2

VREFN 3VREFP 4AINCOM5

AIN06AIN17

SYNC/PDWN8 RESET9

SCLK18

DIN17

DOUT 16XTAL1/CLKIN13XTAL212

DGND11

AVDD 1

DVDD 10

D0/CLKOUT 19D1 20

CS14

DRDY 15

U18

MPXV5004G

U18

MPXV5004G

VCC2

GND3 VOUT 4

CL9

22uF

CL9

22uF

U49

ADS1255

U49

ADS1255

AGND2

VREFN 3VREFP 4AINCOM5

AIN06AIN17

SYNC/PDWN8 RESET9

SCLK18

DIN17

DOUT 16XTAL1/CLKIN13XTAL212

DGND11

AVDD 1

DVDD 10

D0/CLKOUT 19D1 20

CS14

DRDY 15

C133100pFC133100pF

U59

LT1790A-2.048

U59

LT1790A-2.048

Gnd 1Gnd 2NC3

NC5

Vin 4Vout6

R58

100R

R58

100R

R127100RR127100R

C1421uFC142

1uF

TP StaTP Sta

1

R61

100R

R61

100R

CL722uFCL722uF

R63

100R

R63

100R

U45

MPXA4115A

U45

MPXA4115A

VCC2

GND3 VOUT 4

R70

100R

R70

100R

U61

LT1790A-1.25

U61

LT1790A-1.25

Gnd1Gnd2 NC 3

NC 5

Vin4 Vout 6

TP DyTP Dy1

C132100nFC132

100nF

Page 91: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

RF In

max3222_nshdnmax3222_nen

RS232A_TX RS232A_RX

RS232A_TX_ext

RS232A_RX_ext

RS232B_TX RS232B_RX

RS232B_RX_ext

RS232B_TX_ext

CAN_nen

CAN_nen

CANL_ACANH_A

CANB_TX

CANA_RXCANA_TX

RS232D_RXVbat

CANH_BCANB_RX

RS232D_TX

PPS

RS232C_RXRS232C_TX

AC4868_CTS

AC4868_upreset

AC4868_CMDDAT

modem_pwr

CANL_B

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V RS232D_RX

AC4868_upreset

RS232A_TXRS232B_TX

RS232A_RXRS232B_RX

max3222_nshdnmax3222_nen

CANB_TX

CANA_RXCANA_TX

CAN_nen

RS232A_TX_extRS232B_TX_ext

RS232A_RX_extRS232B_RX_ext

CANL_ACANH_A

Vbat

CANH_BCANL_BCANB_RX

RS232D_TX

PPS

RS232C_TXRS232C_RX

AC4868_CTS

AC4868_CMDDAT

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

<Title>

A3

6 8Friday, November 17, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

<Title>

A3

6 8Friday, November 17, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

<Title>

A3

6 8Friday, November 17, 2006

C73 100nFC73 100nF

C69100nF C69100nF

U47

SN65HVD234

U47

SN65HVD234

D/TX1

GND2 Vcc3

R/RX4

EN 5

CANL 6CANH 7

Rs 8

J11

SMC_A

J11

SMC_A

12345

R57100KR57100K

+ C66100uF

+ C66100uF

C71 100nFC71 100nF

R53220RR53220R

R80 220RR80 220R

TPS_1TPS_1 1

Baud_ResetBaud_Reset1

C167100nFC167100nF

U46

SN65HVD234

U46

SN65HVD234

D/TX1

GND2 Vcc3

R/RX4

EN 5

CANL 6CANH 7

Rs 8

R62220RR62220R

U25

MAX3222

U25

MAX3222

EN1

C1+2

V+ 3

C1-4

C2+5C2-6

V-7

T_OUT1 17T_OUT2 8

R_IN116R_IN29

R_OUT1 15R_OUT2 10T_IN113

T_IN212

GND18

VCC 19

SHDN20

NC1111NC1414

C6810nFC68

10nF

C75 100nFC75 100nF

R54

10K

R54

10K

J10

Modem Power

J10

Modem Power

1 2

R59 220RR59 220R

DN6

BAT54C

DN6

BAT54C

C6510nFC6510nF

C74100nF C74100nF

U76

AC4868

U76

AC4868

GO0 1TXD2RXD3 GI0 4

Gnd5Gnd16

Hop 6CTS7 GO1 9RTS8

Vcc 10Vcc 11

9600_Baud12

NC 13GI1 14

UP_RESET15

Cmd/Data17

ADin 18DAout 19

In_Range 20

AA

BB

CC C168

100nFC168100nF

C72 100nFC72 100nF

R55100KR55100K

R5210KR5210K

DN5

BAT54C

DN5

BAT54C

C70 100nFC70 100nF

U23

iTrax130

U23

iTrax130

Eport41Boot12

Gnd5

Eport53Eport74

Eport66Eport37AD08XReset9NC10Gnd11Eport812Eport1213VddB14AD115 TXD1 16

RXD1 19

TXD0 17RXD0 18

Gnd 20ADREFT 21Gnd 22Gnd 23RFin 24Gnd 25Gnd 26Eport9 27Vdd 28Eport1 29PPS 30R56 220RR56 220R

Page 92: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

X_axis_pfY_axis_pfZ_axis_pf

ZGyro_Tmp

Y-Plane

XYGyro_Vref

Z-Plane

ZGyro_Vref

SPIA_sck

SPIA_miso SPIA_mosi

Z_axis

g_sel1g_sel2

5VrefSPIA_miso

ZGyro_Tmp_f

3.3Vref

X-Plane

SPIA_sckSPIA_misoSPIA_mosi

Compass_ResetCompass_DRDY

ZGyro_Tmp_f

ZGyro_Vref_f

XYGyro_Vref_f

ZGyro_ST1

ZGyro_ST2

SPIA_sckSPIA_mosi

SPIA_ss4

Z-Plane

SPIA_ss2

SPIA_ss3

Z-PlaneZGyro_Vref_f

X-PlaneY-Plane

X_axisY_axisZ_axis

XYGyro_Vref_f

X_axisY_axis

+A3.3V

+A3.3V

+A5V

+A3.3V

+A3.3V

+A5V

+U6V

+A5V

+D3.3V

+A3.3V +A5V

+A5V

+D5V+D3.3V

+D3.3V

SPIA_miso

SPIA_sck

SPIA_mosi

g_sel1g_sel2

SPIA_miso SPIA_sckSPIA_misoSPIA_mosi

Compass_ResetCompass_DRDY

ZGyro_ST1

ZGyro_ST2

SPIA_sckSPIA_mosi

SPIA_ss4SPIA_ss2

SPIA_ss3

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

SPI Bus A

A3

7 8Monday, December 04, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

SPI Bus A

A3

7 8Monday, December 04, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCode>

SPI Bus A

A3

7 8Monday, December 04, 2006

O/P BW

CMID sets BW

A2D0

A2D1

C146100pF

C146100pF

CL14

22uF

CL14

22uF

C93100nF

C93100nF

CL1122uF

CL1122uF

C76100nFC76100nF

R76 750RR76 750R

R72

820R

R72

820R

+C12110uF

+C12110uF

C97100nFC97100nF

C1561uFC1561uF

R66 1kR66 1k

D12TS4148

D12TS4148

C90100nFC90100nF

R12210kR12210k

C77100nFC77100nF

R129

200R

R129

200R

U63

LT1790A-3.3

U63

LT1790A-3.3

Gnd 1Gnd 2NC3

NC5

Vin 4Vout6

D13

TS4148

D13

TS4148

C82 100nFC82 100nF

U34

PNI-MicroMAG3

U34

PNI-MicroMAG3

SCLK1MISO2MOSI3SS4DRDY5Reset6

GND 7GND 14Vdd12

NC 8NC 9NC 10NC 11NC 13

C119

100nF

C119

100nF

TP A2D1TP A2D11

C8122nF

C8122nF

C100

4u7F

C100

4u7F

R12010k

R12010k

R64 1kR64 1k

C8322nF

C8322nF

C80 100nFC80 100nF

C92100nF

C92100nF

C86 22nFC86 22nF

C154100nFC154

100nF

C1571uFC1571uF

C84

4u7F

C84

4u7F

R77

820R

R77

820R

U27

MMA7260Q

U27

MMA7260Q

g-Select1 1g-Select2 2

Vdd3Vss4

NC5NC6NC7NC8NC9NC10NC11

Sleep 12

Xout 15Yout 14Zout 13

NC16

C94100nF

C94100nF

U48

MAX3390

U48

MAX3390

VL1OVL12IVL23IVL34IVL45NC6GND7 Three-State 8NC 9OVcc4 10OVcc3 11OVcc2 12IVcc1 13Vcc 14

C145100nF

C145100nF

C99 22nFC99 22nF

C79 100nFC79 100nF

C105

100nF

C105

100nF

TP A2D2TP A2D21

C85 47nFC85 47nF

R69

820R

R69

820R

C155

1uF

C155

1uF

ADS8344EB

U29

ADS8344EB

U29

CH0 1CH1 2CH2 3CH3 4CH4 5CH5 6CH6 7CH7 8

COM 9SHDN 10

VREF 11

+VCC 12AGND13 AGND14

DOUT15

BUSY16

DIN 17

CS 18

DCLK 19

+VCC 20

R65 1kR65 1k

CL1322uF

CL1322uF

C149100nF

C149100nF

R74 5R1R74 5R1

R78 5R1R78 5R1

R121200RR121200R

C98 22nFC98 22nF

C78100nFC78100nF

U65

ADS8341

U65

ADS8341

+VCC 1

CH0 2CH1 3CH2 4CH3 5

COM6

SHDN 7

VREF 8

+VCC 9GND10 GND11

DOUT12

BUSY13

DIN14

CS15 DCLK16

U64

LT1790A-5.0

U64

LT1790A-5.0

Gnd 1Gnd 2NC3

NC5

Vin 4Vout6

R123200RR123200R

C103100nF

C103100nF

C87

4u7F

C87

4u7F

C101 100nFC101 100nF

U28

ADXRS300

U28

ADXRS300

CP5_1D6CP5_2D7

CP4_1A6CP4_2B7

CP3_1C6CP3_2C7

CP1_1A5CP1_2B5

AVCC A3AVCC B3

RATEOUT1 B1RATEOUT2 A2

CP2_1A4CP2_2B4

CMID_1D1CMID_2D2

2.5V_1 E12.5V_2 E2

AGNDF1AGNDG2

TEMP2 G3TEMP1 F3

ST2_2G4 ST2_1F4 ST1_2G5 ST1_1F5

PGNDG6PGNDF7

PDD E6PDD E7

SUMJ1C1SUMJ2C2

C120100nF

C120100nF

C104100nF

C104100nF

C106100nF

C106100nF

R128

200R

R128

200R

R75 750RR75 750R

U31

IDG-300

U31

IDG-300

GND2GND22GND25GND38GND39GND40

Vdd14Vdd29Vdd34

X-Rate3

Y-Rate28

X-AGC8

Y-AGC23

CPOUT17 Vref32

NC 1

NC 30NC 31

NC 4NC 5NC 6NC 7

NC 33

NC 9NC 10NC 11NC 12NC 13

NC 36

NC 15NC 16

NC 35

NC 18NC 19NC 20NC 21

NC 37

NC 24

NC 27NC 26

TP A2D0TP A2D0

1

Page 93: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

mmc_switch

SPIB_ss0

SPIB_sck

mmc_NOT_present

SPIB_mosi

mmc_power

SPIB_miso

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

+D3.3V

mmc_switch

SPIB_ss0

SPIB_miso

SPIB_sck

SPIB_mosi

mmc_NOT_present

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCo

SPI Bus B

A4

8 8Thursday, November 16, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCo

SPI Bus B

A4

8 8Thursday, November 16, 2006

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

<Doc> <RevCo

SPI Bus B

A4

8 8Thursday, November 16, 2006

C109

10nF

C109

10nF

R8110kR8110k

C110100nFC110

100nF

J13

mmc_pwr_jpr

J13

mmc_pwr_jpr

1 2

U40

MMC Header New

U40

MMC Header New

MMC_SS 1MMC_mosi 2MMC_gnd 3MMC_pwr 4MMC_sclk 5MMC_gnd 6

MMC_miso 7Pin9 9

Pin10 10Card Detect 11

SheildC

SheildDCommon 12

R79270kR79270k

Q2ZXM61P02FQ2ZXM61P02F

R12410kR12410k

Page 94: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

ii 

 

 

 

Appendix 2 Payload Management System schematic 

   

Page 95: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

rtc_int

max3222_NOT_shdn

ain_1a2d_int

ain_2

pic_rs232A_tx

ain_3

pic_rs232A_rx

ain_4ain_5

prog_dataprog_clk

ain_6ain_7

rs232A_tx

A2D Supply

external_int3

OSC1OSC2

rs232A_rx

i2c_sda

a2d_int

spi2_mosispi2_misospi2_sclkspi2_ss0

spi1_sclk

Vref 2.5

eccp1

spi1_misospi1_mosi

ain_0

spi2_miso

spi2_ss0

spi2_sclk

prog_mclr

eccp2T1_clockin

T0_clockin

external_int2

eccp3

A2D Supply Vref 2.5

Vref 2.5ads8345_NOT_shdn

Vref 2.5

i2c_sclk

temp_int

mmc_switch

A2D Supply

Low Battery

Iconst2-Iconst1-

driver_5V_switch

MOSA MOSB

MOSA_D

MOSA_S MOSB_S

MOSB_D

prog_mclr

prog_clk

pic_USB_tx pic_USB_rx

rs232B_rx

rs232B_tx

JUMP1 JUMP0

driver_12V_switch

spi2_miso

spi2_ss2

ads8345_NOT_shdn

MOSB

ain_3

ain_5

ain_7

ain_6 ain_2

ain_4 ain_0

spi2_mosi

ain_1

prog_data

rs232A_rxrs232A_tx

T1_clockinT0_clockin

pic_rs232A_txpic_rs232A_rx

MOSA_DMOSA_S

USB_DPUSB_DM

Vref 2.5

Vref 2.5

Vref 2.5

Vref 2.5

external_int2eccp2

spi2_ss2external_int3

eccp3Power In

max3222_NOT_shdndriver_12V_switch

spi2_ss3

MOSA

spi2_ss3

spi2_sclk

rs232B_tx

eccp1

spi2_ss1

rs232B_rx

spi2_mosi

Power In

i2c_sda

MOSB_S

i2c_sclk

MOSB_D

USB_CONNECT

USB_PWR

USB_PWR

Power EN PIC_PEN

USB_CTS

spi1_ss0

DS1721_SHConstC Switch

3.3V Enable

driver_5V_switch

JUMP0

mmc_detectFRAM_SH

spi2_ss1

pic_USB_txpic_USB_rx

pic_rs232A_txpic_rs232A_rx

JUMP1

Iconst1+Iconst2+

USB_ENABLE

USB_RTS

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+5V

+6V

+5V+5V

+5V

+6V +5V

+5V

spi1_sclkspi1_misospi1_mosi

i2c_sdai2c_sclk

temp_int

rtc_int

mmc_switch

Low Battery

Iconst2-Iconst1-

A2D Supply

USB_DPUSB_DM

Power In

Power In

Power EN

USB_CONNECTUSB_CTS

spi1_ss0

ConstC SwitchDS1721_SH

3.3V Enable

mmc_detectFRAM_SH

pic_USB_txpic_USB_rx

Iconst1+Iconst2+

USB_ENABLE

USB_RTS

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

Core

A3

2 6Wednesday, October 03, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

Core

A3

2 6Wednesday, October 03, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

Core

A3

2 6Wednesday, October 03, 2007

20 pins to be for driver and rest for IO

U3

LT1790A-2.5

U3

LT1790A-2.5

Gnd1Gnd2 NC 3

NC 5

Vin4 Vout 6

C10100nFC10100nF

C11100nF

C11100nF

TP2TP2

1

R82k2R82k2

C7100nFC7100nF

J53JPJ53JP

1

2

3

R3

200R

R3

200R

C8100nFC8100nF

TP1TP1

1

C3100pFC3100pF

D2

HSME-C191

D2

HSME-C191

TP3TP3

1

R1010kR1010k

C16 100nFC16 100nF

CL122uFCL122uF

R910kR910k

TP4TP4

1

R72k2R72k2

R11 10kR11 10k

C9100nFC9100nF

Y110Mhz

Y110Mhz

C2100nFC2100nF

Y210Mhz

Y210Mhz

J63JPJ63JP

1

2

3

CL222uF

CL222uF

J7

PWREN

J7

PWREN

1 2

DN1

BAT54C

DN1

BAT54C

J2

Analogue Header

J2

Analogue Header

135791113151719

2468

101214161820

D3

PMEG4010BEA

D3

PMEG4010BEA

R5270R R5270R

C5100pFC5100pF

R6 4R7R6 4R7

C21 470nFC21 470nF

Q8AQ8AU7

MAX3222_20P

U7

MAX3222_20P

EN1

C1+2

V+ 3

C1-4

C2+5C2-6

V-7

T_OUT1 17T_OUT2 8

R_IN116R_IN29

R_OUT1 15R_OUT2 10T_IN113

T_IN212

GND18

VCC 19

SHDN20

NC1111NC1414

Q8BQ8B

C22 470nFC22 470nF

ADS8345

U4

ADS8345

U4

CH01CH12CH23CH34CH45CH56CH67CH78

COM9SHDN10

VREF11

+VCC12AGND 13AGND 14

DOUT 15

BUSY 16

DIN17

CS18

DCLK19

+VCC20

C17 100nFC17 100nF

R4 270RR4 270R

C12 27pfC12 27pf

C4100nFC4100nF

C13 27pfC13 27pf

C15 470nFC15 470nF

Q7

IRLML6402

Q7

IRLML6402

U5

PIC18f6722

U5

PIC18f6722

RE1/WR/P2C1 RE0/RD/P2D2

RG0/ECCP3/P3A3RG1/TX2/CK24RG2/RX2/DT25RG3/CCP4/P3D6

RG5/MCLR/Vpp7 RG4/CCP5/P1D8

Vss 9

Vdd 10

RF7/SS111 RF6/AN1112 RF5/AN10/CVref13 RF4/AN914 RF3/AN815 RF2/AN7/C1OUT16 RF1/AN6/C2OUT17 RF0/AN518

AVdd19AVss20

RA3/AN3/Vref+21 RA2/AN2/Vref-22 RA1/AN123 RA0/AN024

Vss 25

Vdd 26

RA5/AN4/HLVDIN27 RA4/T0CKI28

RC1/T1OSI/ECCP2/P2A 29RC0/T1OSO/T13CKI 30

RC6/TX1/CK1 31RC7/RX1/DT1 32

RC2/ECCP1/P1A 33RC3/SCK1/SCL1 34RC4/SDI1/SDA1 35

RC5/SDO1 36

Vdd 38

RB7/KBI3/PGD 37

OSC1/CLKI/RA739OSC2/CLKO/RA640 Vss 41

RB6/KBI2/PGC 42RB5/KBI/PGM 43RB4/KBI0 44RB3/INT3 45RB2/INT2 46RB1/INT1 47RB0/INT0 48

RD7/PSP7/SS2 49RD6/PSP6/SCK2/SCL2 50RD5/PSP5/SDI2/SDA2 51RD4/PSP4/SDO2 52RD3/PSP3 53RD2/PSP2 54RD1/PSP1 55

Vss 56

Vdd 57

RD0/PSP0 58

RE7/ECCP2/P2A59 RE6/P1B60 RE5/P1C61 RE4/P3B62 RE3/P3C63 RE2/CS/P2B64

D1

HSME-C191

D1

HSME-C191

J3

CONN RCPT 25x2

J3

CONN RCPT 25x2

2468101214161820222426283032343638404244464850

13579

1113151719212325272931333537394143454749

Page 96: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

Power In DCDC_IN

3.3V Enable

FB

SW

Pwr_protected

Power EN

+3.3V+5V

+6V

+5V

+6V

+5V

Power In

3.3V Enable

Low Battery

Power EN

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger 1.2a

Power Supply

A

5 6Tuesday, October 02, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger 1.2a

Power Supply

A

5 6Tuesday, October 02, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger 1.2a

Power Supply

A

5 6Tuesday, October 02, 2007

By powering the 3.3V regulator from the 5V line the boardcan accept a 5V supply without modification. - 5V and 6V regulators are automatically disabled - There is no reverse polarity protection in this case - There is little loss of efficiency

Vdiv sets trigger at 6.48V

Tants are used on linear regs as Cout as the ESR helpswith stability at low currents.

Vdiv sets output at 6.05V

Mosfet to stop current return

R34 should be big - 510k

Q10IRLML6402

Q10IRLML6402

+ CT222uF

+ CT222uF

Q4IRLML6402Q4IRLML6402

R2824kR2824k

U16

REG102-5

U16

REG102-5

Vout 1Vout 2

NR 3Gnd 4Enable5 NC6 Vin7 Vin8

R25100kR25100k

U18

TPS62110_ADJ_17P

U18

TPS62110_ADJ_17P

AGND9

GND11GND12

PGND1PGND16

VINA8 SW 14SW 15

LBO 6PG 13

EN4

FB 10

LBI7SYNC5

VIN2VIN3

CL447uF

CL447uF

C34100nFC34100nF

CL310uF

CL310uF

L1

10uH

L1

10uHR27 100kR27 100kR26

1MR261M

Q11IRLML2502Q11IRLML2502

R29510kR29510k

U15

REG102-3.3

U15

REG102-3.3

Vout 1Vout 2

NR 3Enable5 Gnd 4

Vin7 Vin8

NC6+ CT1

22uF+ CT1

22uF

R32100kR32100k

C3122pfC3122pf

C301uF

C301uF

R30120kR30120k

R34DPR34DPC33

10nFC3310nF

C35100nFC35100nFC32

10nFC3210nF

Page 97: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

Iconst2+

Iconst1-

Iconst1+

ConstC Supply

Iconst2-

A2D Supply ConstC Supply

ConstC Supply

ConstC Switch

Iconst2- Iconst1-

Iconst2+ Iconst1+

A2D Supply

ConstC Switch

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

LED Constant current circuit

A

1 6Monday, October 01, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

LED Constant current circuit

A

1 6Monday, October 01, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

LED Constant current circuit

A

1 6Monday, October 01, 2007

Current = 0.065 * ( 1/Rp1 + 1/Rp2) Current = 0.065/Rp

As long as the equation for the current in the LED contains a resistive term it will have temperature dependence.

Q1

BC859C

Q1

BC859C

RP33RRP33R

Q9IRLML6402

Q9IRLML6402

RP13RRP13R

Q2

BC859C

Q2

BC859C

RP2DPRP2DP

LM234-3

U1

LM234-3

U1

V+ 1

R 2

V- 3

RP4DPRP4DP

LM234-3

U2

LM234-3

U2

V+ 1

R 2

V- 3

Page 98: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

Vbat

i2c_sclk

i2c_sda

i2c_sda

i2c_sclk

rtc_int

temp_int

i2c_sclki2c_sda

DS1721_SH

FRAM_SH

+5V

+3.3V

+5V

+5V

i2c_sda

i2c_sclk

i2c_sda

i2c_sclk

rtc_int

temp_int

i2c_sclki2c_sda

DS1721_SH

FRAM_SH

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

I2C Bus

A

3 6Monday, October 01, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

I2C Bus

A

3 6Monday, October 01, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

I2C Bus

A

3 6Monday, October 01, 2007

Addr = 1101 000x

Addr = 1001 000x

Addr = 1010 000x

For the FM24C512 the A0 bit is used the address MSB.This means it is worth also leaving the alternate addressunused: Addr = 1010 001x.

R2110kR21

10k

C25 100nFC25 100nF

C24100nFC24100nFC23

100nFC23

100nF

U8

DS1339C_16P

U8

DS1339C_16P

NC4 4NC5 5

VBACKUP14 GND 15

SDA16

SCL 1

SQW/INT2

VCC3

NC6 6NC7 7NC8 8NC9 9

NC10 10NC11 11NC12 12NC13 13

Q15IRLML6402Q15IRLML6402

DS1721S+

U19

DS1721S+

U19

SDA1

SCL 2

TOUT 3

GND 4

A25 A16 A07

VDD8

U11

FM24C256

U11

FM24C256

A01A12A23Vss4 SDA 5SCL 6WP 7Vdd 8

U10Battery

U10Battery

+2

-1

Q14IRLML6402

Q14IRLML6402

Page 99: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

mmc_sclkmmc_mosimmc_miso

mmc_ssmmc_mosi

mmc_sclk

mmc_miso

spi1_ss0spi1_sclk

spi1_miso

mmc_ssmmc_pwr

spi1_mosi

mmc_switch

mmc_detect

+5V

+3.3V

+3.3V

+3.3V

+5V

spi1_ss0spi1_sclk

spi1_misospi1_mosi

mmc_switch

mmc_detect

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

MMC Interface

A4

4 6Monday, October 01, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

MMC Interface

A4

4 6Monday, October 01, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

MMC Interface

A4

4 6Monday, October 01, 2007

New MMC socket with standoff - Common not connected to case - Detect goes low on card present - Case connected to ground - Write prtoect ignored - Pins 8&9 are for SD mode

U13

MAX3392EEUD

U13

MAX3392EEUD

VL1OVL12OVL23OVL34IVL45NC6GND7 Three-State 8NC 9OVcc4 10IVcc3 11IVcc2 12IVcc1 13Vcc 14 R22

10kR2210k

C29

100nF

C29

100nF

R2310kR2310k

C28

100nF

C28

100nF

R24270kR24270k

U12

SCDA1A1301

U12

SCDA1A1301

MMC_SS 1MMC_mosi 2MMC_gnd 3MMC_pwr 4MMC_sclk 5MMC_gnd 6

MMC_miso 7

Pin9 (SD) 9Card Detect 10

Sheild13

Write Protect12

Common 11

Pin8 (SD) 8

C26

100nf

C26

100nf

Q3

IRLML6402

Q3

IRLML6402

C27100nfC27

100nf

Page 100: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

5

5

4

4

3

3

2

2

1

1

D D

C C

B B

A A

USB_DM

USB_DP

pic_USB_tx

pic_USB_rx

USB_RTS

USB_CTS

USB_ENABLE

PWREN#

+5V

USB_DM

USB_DP

pic_USB_tx

pic_USB_rx

USB_RTS

USB_CTS

USB_ENABLE

USB_CONNECT

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

USB2.0 Interface

A

6 6Wednesday, October 03, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

USB2.0 Interface

A

6 6Wednesday, October 03, 2007

Title

Size Document Number Rev

Date: Sheet of

Data Logger v1.2 1.2a

USB2.0 Interface

A

6 6Wednesday, October 03, 2007

Sheild unconnected ascable will be sheildedfrom PC end.

USB power is detected by the PIC and then the FT232RQis enabled

U17

FT232RQ

U17

FT232RQ

VccIO1Vcc19

Data Minus15

Data Plus14

NC5NC12NC13

NC25NC29

NC23

Reset#18OscI27OscO283v3 out16

AGnd24Gnd4Gnd17Gnd20Test26

TXD 30

RXD 2

RTS# 32DTR# 31

CTS# 8DSR# 6

RI# 3DCD# 7

CBus0 22CBus1 21CBus2 10CBus3 11CBus4 9

C39 100nFC39 100nF

Q13IRLML6402

Q13IRLML6402

C38100nFC38100nF

TPS1TPS1

1

C37100nF

C37100nF

Page 101: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

iii 

 

 

 

Appendix 3 Payload Management System technical drawing 

   

Page 102: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

SCALE 1 : 1

DRAWNEd WaughCHECKED

QA

MFG

APPROVED

01/11/2007Sensors Group, NOC, UK

TITLE

Stacked SGDL v1.2

SIZE

A4SCALE

DWG NO

SGDL Stacked together assemblyREV

SHEET 1 OF 1

47.0

0

60.00

40.2

0

15.0

0

10.0

0

26.3

9

36.5

5

46.80

37.7

0

9.50 12

.00

Page 103: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

iv 

 

 

 

Appendix 4 Project specifications for student groups 

Page 104: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

 

ECS Group Project Specification 

Previous Unmanned Aerial Vehicle (UAV) research and student projects at the National 

Oceanography Centre  (NOC) have  focussed on developing and demonstrating a  flying 

vehicle. With  these  goals now  achieved,  the next phase of  research must develop  the 

payload  that  the vehicle will carry. Many of  the components  in  the payload will be off 

the  shelf and  these must be  integrated with data  logging  to create a complete  system 

that is independent from the rest of the UAV. 

Areas of work 

• Consultation with oceanographic scientists to determine a useful and achievable 

payload 

• Selection and acquisition of appropriate sensors 

• Use of the NOC sensors group data logger to synchronise and record data 

• Integration  of  sensors  with  data  logging  and  power  supply  within  the  1.5Kg 

weight limit 

• Development of data processing software for windows in C# or Matlab 

• Testing of sensor package 

• Flight test of sensor package 

Possible sensors 

• Visible light imaging 

• Infra‐red and/or ultra‐violet measurement or imaging 

• Atmospheric sensors 

• Ambient light measurement (for calibration of images) 

Deliverables 

• Project report detailing design process and justification of decisions 

• An integrated sensor payload ready for deployment on the UAV 

• An instruction manual detailing the setup and operation of the payload 

• Details of all equipment used allowing easy replacement or  the manufacture of 

additional payloads 

Page 105: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

 

• Easy to use software for processing the returned data and creating files that are 

useful  to  the  oceanographic  scientists  and  that  integrate  with  packages  they 

currently use 

   

Page 106: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

 

SES GDP Specification 2007 

The  Unmanned  Aerial  Vehicle  (UAV)  project  at  the  National  Oceanography  Centre 

(NOC) is now in its fifth year of development. The fundamental design decisions for the 

vehicle  have  been  taken  and  the  focus  is  now  shifting  to  refining  the  aerodynamic 

performance.  This  includes  improvements  to  the  lift  over  drag  (L/D)  as  well  as 

characterising  and  improving  the  dynamic  performance  of  the  aircraft  during 

manoeuvres. The characterisation of  the vehicle  should also  result  in a model suitable 

for use in flight control system modelling. 

Areas of work 

• Make a  redesign of  the  tail  to an  inverted V design  for  improved aerodynamic 

performance and have this manufactured to fit the existing wind tunnel model 

• Enhance the existing wind tunnel model to include adjustable ailerons, elevators 

and rudders 

• Measure  the  performance  of  the  model  in  the  wind  tunnel  in  a  variety  of 

conditions to determine the control authority available and the effectiveness of 

the redundant systems 

• Develop a model of the vehicle with both types of tail  in Aerosim and compare 

this to the model generated by AVL 

Deliverables 

• Project report detailing design process and the decisions made 

• New more efficient tail design 

• Half scale model of both designs of tail with adjustable surfaces 

• Conclusions  about  the  effectiveness  of  the  current  tail,  suggestions  for 

improvement and comparison with the new design 

• An Aerosim model of  the  vehicle based on  tunnel data  that  can be  compared 

with one generated by AVL 

 

Page 107: An Unmanned Aerial Vehicle for Oceanographic Applications · ii Abstract Progress is reported on the development of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) at the National Oceanography Centre,

 

 

 

Appendix 5 Contents of accompanying CD 

 

Name  Description 

Transfer Report.pdf  A copy of this report 

Flight Test Videos  Video footage of flight tests, requires XVid codec (supplied) 

‐ Flight Test 1  Launch failure due to lack of speed 

‐ Flight Test 2  Launch failure due to release mechanism 

‐ Flight Test 3  Longest flight 

‐ Flight Test 4  Climb too steep (discussed in Chapter 6)