A unique Unmanned Aerial Manipulator (UAM), also termed an aerial robot, is the subject of this thesis. A UAM is composed of a floating base attached to a manipulator that enables it to interact physically with the environment. The floating base is an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and the manipulator is defined as a two-cable underactuated Cable Driven Parallel Robot (CDPR). This specific design of a UAM is, to the author’s best knowledge, a novel concept. The thesis is done in collaboration with Airforestry, a company currently developing a solution for aerial forest thinning aiming to provide a more sustainable and efficient way to thin forests. Forest thinning today involves using heavy ground equipment that can cause damage to the surrounding environment and climate. The solution includes a UAV hovering over a chosen tree and attaching a tool (the manipulator) to it, cutting it, lifting it, and then transporting it. The thesis presents a planar model, control method, and simulation of the UAM system. The kinematic and dynamic models of the UAM are derived. A Proportional-Derivative (PD) controller is implemented for flying the UAV and another for controlling the cables. The model is simulated and examined by commanding the UAM to specific set-points under different circumstances such as comparing the UAV flying with and without the tool, changing the length of the cables, and changing the placement of the manipulators Center of Mass (CoM). Overall, the degree project provides a solid model foundation for the specific UAM which can be built upon and further improved. / En specifik Obemannad Flygande Manipulator (UAM), även kallad en flygande robot, är ämnet för denna avhandling. En UAM består av en flytande bas som är fäst vid en manipulator, vilket gör det möjligt för den att interagera med omgivningen. Den flytande basen är ett Obemannat Flygfordon (UAV) och manipulatorn definieras som en tvåkabel-aktuerad kabeldriven parallellrobot (CDPR). Denna specifika design av en UAM är, enligt författarens bästa kunskap, ett nytt koncept. Avhandlingen utförs i samarbete med Airforestry, ett företag som för närvarande utvecklar en lösning för skogsavverkning från luften i syfte att erbjuda ett mer hållbart och effektivt sätt att tunna ut skogar. Skogsavverkning idag innebär användning av tunga markmaskiner som kan skada den omgivande miljön och klimatet. Lösningen inkluderar en UAV som svävar över ett valt träd och fäster ett verktyg (manipulatorn) på det, skär det, lyfter det och transporterar det sedan bort. Avhandlingen presenterar en planarmodell, kontrollmetod och simulering av UAM-systemet. De kinematiska och dynamiska modellerna för UAM härleds. En proportionell-derivativ (PD) kontroller implementeras för att styra UAV:n och en annan för att kontrollera kablarna. Modellen simuleras och undersöks genom att styra UAM:n till specifika målpunkter under olika omständigheter, såsom att jämföra UAV-flygning med och utan verktyget, ändra längden på kablarna och ändra placeringen av manipulatorns masscentrum (CoM).svis ger examensarbetet en stabil modellgrund för den specifika UAM:n, som kan byggas vidare och förbättras.

Arbetet syftar till att ta fram en hållbar infästning för virveldämpare till SSRS drönare av modell flygande vinge. Drönaren är specifikt framtagen för att användas till maritima sök och räddningsuppdrag och för att bidra till att utöka den svenska kustens säkerhet. Arbetet studerar ett landningsscenario för drönaren och utifrån detta tas en ny infästning fram. Infästningen av virveldämparen skall vara lätt att hantera för personalen, kräva minimalt med reparation och hålla för 50 landningar. Infästningen skall kunna utlösa och separera virveldämparen från vingen om det under landningen uppstår så stora krafter att dessa komponenter riskerar att ta skada. Arbetet följer DRM-struktur och syftar till att ta fram en prototyp med hjälp av en uttömmande idégenerering utförd med metoderna Speedstorming, Brainstorming och SCAMPER. Konceptsållningen sker med hjälp av anpassade poängsättningsmetoder och Pugh-analys. Det resulterande konceptet bestämmer vilka dimensioner som krävs för att kunna utföra hållfasthetsberäkningar på den valda infästningen, därefter skapas en prototyp vilken används för att utföra hållfasthetstester. De utförda beräkningarna och testerna gav olika resultat och den därav dragna slutsatsen medförde att materialegenskaper rörande elastisk deformation och variabler på hållfasthetstestet ej har beaktas. Testerna visade att den framtagna prototypen av expanderad polypropen hanterade de förutsedda krafterna väl även om testerna inte kunde utföras under helt verklighetstrogna landningsförhållanden. Slutresultatet av projektarbetet är att den framtagna infästningen av virveldämparen har, utifrån tillgängliga testningsmetoder, påvisat önskade egenskaper och att utförligare tester behöver genomföras för att avgöra om den uppfyller samtliga produktkrav. / This work is aimed at producing durable attachments for winglets on a drone, model flying wing, owned by the SSRS. The drone is specifically developed to be used for maritime search and rescue missions and to contribute to increasing the security along the Swedish coast and major inland lakes. During this work only one landing scenario by the drone was studied while creating the attachments, which required to be easy to handle, minimal to no repair work and a durability for 50 landings. The attachments also need to be able to release in case of excessive force during landing which risks jeopardizing the integrity of the wing or winglet. The work followed the DRM-structure and aimed to create a prototype through an exhaustive idea generation technique in three steps using the methods Speedstorming, Brainstorming and SCAMPER. All of these methods go through voting, Pugh analysis and concept screening. After one concept had been singled out its dimensions were decided on and used in calculations to determine its strength. From this information a physical winglet attachment prototype made of expanded polypropylene was created and used in strength and durability tests. Calculations and tests were found to have varying results and the conclusion was made that the material properties regarding elastic deformation and test variables most likely had not fully been taken into account. The tests failed to generate a realistic landing scenario given the requirements but still gave a positive result concerning the prototype's ability to absorb shock loads at landing. This work has resulted in a preliminary winglet attachment prototype which through testing has shown satisfying shock absorbing abilities, and that further testing is required to decide whether the attachment can meet all of the set product requirements.

Compared with the terrestrial network (TN), which can only support limited covered areas, satellite communication (SC) can provide global coverage and high survivability in case of an emergency like an earthquake. Especially low-earth orbit (LEO) satellites, as a promising technology, which is integral to achieving the goal of global seamless coverage and reliable communication, catering to 6G’s communication requirements. Nevertheless, the swift movement of the LEO satellites poses a challenge: frequent handovers are inevitable, compromising the quality of service (QoS) of users and leading to discontinuous connectivity. Moreover, considering LEO satellite connectivity for different flying vehicles (FVs) when coexisting with ground terminals, an efficient satellite handover decision control and mobility management strategy is required to reduce the number of handovers and allocate resources that align with different user requirements. With the development of machine learning (ML) methods, which can greatly enhance system performance and automation, reinforcement learning (RL), as a sub-field in ML has been employed to optimize decision control. Due to the challenges of dimensionality explosion and the propensity for traditional Q-learning algorithms to get trapped in local minima, deep learning has been introduced with RL. In this thesis, the high-dimensionality user-satellite network is constructed including the LEO constellation from the ephemeris data, different types of flying vehicles such as aircraft and drones, and ground terminals. Two mathematical optimization models named the traditional low handover model and network utility model when considering the full criteria including the remaining visible time, downlink (DL) carrier-to-interference-plus-noise ratio (CINR) and the available idle channels are formulated. In this way, a novel satellite handover strategy based on Multi-Agent Reinforcement Learning (MARL) and game theory named Nash-SAC has been proposed to solve these problems. From the simulation results, compared with different benchmarks such as the traditional Q-learning algorithm, Maximum available channel (MAC)-based strategy, and Maximum instantaneous signal strength (MIS)-based strategy, Nash-SAC can effectively reduce the number of satellite handovers by over 16% close to the lower limit, and the blocking rate by over 18%. Moreover, Nash-SAC can greatly improve the network utility of the whole system by up to 48% and cater to different users’ requirements, providing reliable and robust connectivity for both FVs and ground terminals. / Jämfört med det markbundna nätet (TN), som endast kan stödja begränsade täckta områden, kan satellitkommunikation (SC) ge global täckning och hög överlevnad vid en nödsituation som en jordbävning. Speciellt lågjordiga satelliter (LEO), som en lovande teknik, som är integrerad för att uppnå målet om global sömlös täckning och tillförlitlig kommunikation, tillgodose 6G:s kommunikationskrav. Icke desto mindre utgör LEO-satelliternas snabba förflyttning en utmaning: täta överlämningar är oundvikliga, vilket äventyrar användarnas tjänstekvalitet och leder till kontinuerlig uppkoppling. Med tanke på LEO:s satellitanslutning för olika flygande fordon när de samexisterar med markterminaler krävs dessutom en effektiv strategi för kontroll av satellitöverlämning och mobilitetshantering för att minska antalet överlämningar och fördela resurser som överensstämmer med olika användarkrav. Med utvecklingen av maskininlärningsmetoder (ML), som avsevärt kan förbättra systemprestanda och automation, har förstärkningsinlärning (RL), som ett delområde i ML använts för att optimera beslutskontrollen. På grund av utmaningarna med dimensionsexplosion och benägenheten för traditionella Q-inlärningsalgoritmer att fastna i lokala minimi har djupinlärning introducerats med RL. I denna avhandling konstrueras det högdimensionella användarsatellitnätet inklusive LEO-konstellationen från ephemerisdata, olika typer av flygande fordon såsom flygplan och drönare samt markterminaler. Två matematiska optimeringsmodeller kallas den traditionella lågöverlämningsmodellen och nätverksbruksmodellen när man beaktar de fullständiga kriterierna inklusive återstående synliga tiden, nedlänk (DL) carrier-to-interferens-plus-noise ratio (CINR) och tillgängliga inaktiva kanaler formuleras. På detta sätt har en ny satellitöverlämningsstrategi baserad på Multi-Agent Reinforcement Learning (MARL) och spelteori vid namn Nash-SAC föreslagits för att lösa dessa problem. Från simuleringsresultaten, jämfört med olika riktmärken såsom den traditionella Q-learning algoritmen, Maximal available channel (MAC)-baserad strategi och Maximal instantaneous signalstyrka (MIS)-baserad strategi, kan Nash-SAC effektivt minska antalet satellitöverlämningar med över 16% nära den nedre gränsen och blockeringshastigheten med över 18%. Dessutom kan Nash-SAC avsevärt förbättra nätverksnyttan i hela systemet med upp till 48% och tillgodose olika användares krav, vilket ger tillförlitlig och robust anslutning för både flygande fordon och markterminaler.

Flying can constitute as much as a third of an academic institution’s total emissions and there’s a growing concern among researchers around their academic travel contributing to global warming. This paper is part of KTH FLIGHT, a research project for decreased CO2-emissions in flight-intensive organizations through creation and testing of practical tools. It is a Research through Design work that provides new knowledge about a previously largely unexplored implementation area of emission trading systems like Cap and Trade. These have previously helped reduce emissions at lower costs than tax based systems in various settings but little research exists in terms of design and important factors for a university to promote more sustainable travel patterns. This paper reveals challenges and opportunities regarding implementation and shows current feasibility in implementing in a Swedish university (KTH), and provides suggestions for choosing suitable users and direction of future research. / Flygresor kan utgöra upp till en tredjedel av en akademisk institutions totala utsläpp och det finns en växande oro bland forskare kring att deras resande bidrar till den globala uppvärmningen. Denna rapport är en del av KTH FLIGHT, ett forskningsprojekt med syfte att minska CO2 -utsläpp i flygintensiva organisationer genom att skapa och testa praktiska verktyg. Detta är ett Research through Design-arbete som bidrar med ny kunskap om ett tidigare till stor del outforskat område för implementeringar av utsläppshandelssystem såsom Cap and Trade. Dessa har i olika sammanhang tidigare bidragit till minskade utsläpp med lägre kostnader än skattebaserade system. Men i dagsläget finns det lite forskning gällande dess design och viktiga faktorer för att främja mer hållbara resvanor på ett universitet. Denna uppsats visar på utmaningar och möjligheter vid en implementering och visar aktuell genomförbarhet i ett svenskt universitet (KTH), samt ger förslag på val av lämpliga användare samt inriktning för framtida forskning.

The work summarized in this report aims to investigate how a drone airplane design can be optimized to create a safer and more efficient sea rescue by providing staff with an early picture, performing search missions and aiding communication through visual contact. A flying wing is in theory one of the most efficient designs for a fixed wing aircraft, at the same time as it also offers high structural efficiency for its given size. In this report, an overview of aerodynamics, stability and flying quality for a flying wing is discussed and analysed. XFLR5 was used for this project, and a comparison between the analytical results and wind tunnel test data for a prototype was conducted. A strong correlation was found between the theoretical analyses and the wind tunnel data. A simple control solution using only one set of elevons has been proposed and simulated, resulting in Level 1 dynamic stability for all modes except Dutch-roll (where the drone’s damping is 𝜁𝑑𝑟=0.07 and the requirement for Level 1 is 𝜁𝑑𝑟=0.08). For the range of angle of attack used, the autopilot system will have to trim the drone in flight to achieve stability. As the drone only has one set of control surfaces there will be a loss of efficiency in this scenario, meaning that 𝐶𝐿/𝐶𝐷 = 15.7 for loiter speed of 15 𝑚/𝑠 and 7.9 for full speed at 35 𝑚/𝑠. In regular flight, with a total mass <1 𝑘𝑔, the drone is able to fly at full speed for 214 𝑘𝑚 or loiter for 6.3 ℎ with a battery package of 130 𝑊ℎ. As such, the objective of this project was achieved, and the proposed design met the given requirements. / betet som sammanfattas i denna rapport syftar till att undersöka huruvida ett drönar-flygplan bäst kan utformas för att skapa en säkrare och effektivare sjöräddning genom att ge räddningspersonalen en tidig överblick, utföra sökuppdrag och bistå till kommunikation genom visuell kontakt. En flygande vinge är i teorin en av de mest effektiva konstruktionerna för ett flygplan, likaså erbjuder den en hög strukturell effektivitet för en given storlek. I denna rapport diskuteras och genomförs en översikt över aerodynamik, stabilitet och flygkvalitet hos en flygande vinge. XFLR5 användes för detta projekt, och en jämförelse mellan analysresultaten och ett vindtunneltest med en prototyp genomfördes. I allmänhet är överenskommelsen mellan de teoretiska analyserna och vindtunneldatan god. En enkel lösning som enbart består av en uppsättning kontrollytor har föreslagits och simulerats, vilket resulterar i en Nivå 1 dynamisk stabilitet för alla lägen utom Dutch-roll, där drönarens dämpning är 𝜁𝑑𝑟 = 0.07 och kravet för Nivå 1 är 𝜁𝑑𝑟 = 0.08. Autopilotsystemet behöver trimma drönaren under flygning för att uppnå nödvändig stabilitet för det spann av attackvinklar som används, med endast en uppsättning kontrollytor, vilket minskar effektiviteten för BWB-drönaren till 𝐶𝐿/𝐶𝐷=15.7 för cirkuleringshastigheten på 15 𝑚/𝑠 och 7.9 för full hastighet vid 35 𝑚/𝑠. Drönaren kan flyga i full hastighet i 214 𝑘𝑚 eller cirkulera runt olycksplatsen under 6.3 timmar med ett batteripaket på 130 𝑊ℎ, med en vikt som är lägre än 1 𝑘𝑔. Målen med detta projekt uppnåddes och drönaren utformades enligt kraven.

The Swedish Sea Rescue Society (SSRS) is exploring how small, remotely launched drones can help in making the rescue work safer and more efficient. The planned drone to be used for such purposes is a 1 kg, 1 m wide, foam constructed, flying wing drone. Aviation regulatory authorities are however struggling with the problem posed by balancing the benefits of unmanned aerial vehicles (UASs) with the safety risk posed to manned aircraft, people and structures on the ground. A risk assessment framework called Specific Operations Risk Assessment (SORA) states specifications on risks that a certain operation can generate. An impact study was requested from SSRS as the purpose of this master thesis, to make sure the drones will not cause danger to other aircraft in the same airspace. SSRS needs to know how dangerous their drone is according to the regulations and how they can improve the design. A literature study was made to determine the critical scenarios for the UAVs area of application. A mathematical collision model was developed where the properties of the flying wing were considered to determine the energies involved. The results provide limits for when a small flying wing poses danger in its area of operation. The results also shows the effects of having a crumple zone included in the construction. A crumple zone only makes a difference when colliding at lower speeds. For the future, a combined model for the UAV to be used with the collision object would provide more accurate results since they affect each other in the collision. / Sjöräddningssällskapet (SSRS) undersöker hur små, fjärrstyrda drönare kan göra deras räddningsarbete säkrare och effektivare. Den planerade drönaren som ska användas för sådana ändamål är en 1 kg, 1 m bred, skumkonstruerad, drönare av typen flygande vinge. Luftfartsmyndigheterna strävar efter att balansera fördelarna med obemannade flygfordon (UAS) med säkerhetsrisken för bemannade flygplan, människor och byggnader. En riskbedömningsram som benämns Specific Operations Risk Assessment (SORA) anger specifikationer för risker som en viss tillämning kan generera. En konsekvensstudie vid kollision med drönare begärdes från SSRS som syfte med detta examensarbete. Detta för att säkerställa att drönarna inte kommer att orsaka fara för andra flygfarkoster i samma luftrum som deras UAV ska användas. SSRS behöver veta hur riskfylld deras drönare är enligt riskspecifikationerna och hur de kan förbättra sin design. En litteraturstudie gjordes för att bestämma de kritiska scenarierna för deras drönares tillämpningsområde. En matematisk kollisionsmodell har utveklats som tar hänsyn till drönarens material och konstruktion och hur det påverkar de involverade energierna. Resultaten sätter gränser för när en liten fjärrstyrd drönare kan utgöra fara i sitt användningsområde. Resultaten visar också effekten av att ha en deformationszon på drönaren. En deformationzon visar sig, bara göra skillnad i kollisioner vid låga hastigheter. För framtiden skulle en kombinerad modell för den UAV som ska användas med kollisionsobjektet ge mer exakta resultat, eftersom de påverkar varandra i kollisionen.

Syfte och frågeställning Syftet med studien är att studera hur svenska elitlöpares totaltider förhåller sig till de olika variablerna markkontakt, flygtid, hastighet, stegfrekvens och steglängd, med största fokus på hur markkontakterna påverkar hastigheten. Studiens två frågeställningar var: (1) Hur ser sambandet ut mellan de fyra variablerna markkontakt, flygtid, steglängd samt stegfrekvens vid den maximala hastigheten vid upprätt löpning hos elitlöpare verksamma inom sprintdistansen 100 meter? (2) Hur korrelerar markkontakt och hastighet hos elitlöpare verksamma inom sprintdistansen 100 meter? Metod En kvantitativ studie genomfördes där 33 manliga och 20 kvinnliga försökslopp på flygande 30 kartlades med mätutrustningen Optojump. Dessa mätvärden analyserades i SPSS för att jämföra korrelation mellan varje mätvärde, ett sambandsdiagram mellan markkontakt och hastighet gjordes samt den översiktliga statistiken analyserades. Resultat Resultaten visar att kortare markkontakter kan ge en högre hastighet, att flygtiden mellan män och kvinnor är lika, att genomsnittet av löparna i studien hade än lägre stegfrekvens och steglängd än litteraturen som presenteras i studien. Slutsatser Resultatet i studien visar att, i likhet med forskningsstudier, att en kortare markkontakt kan ge en höge horisontell löphastighet än en lång. Studien åskådliggör dock att betydligt fler variabler, än endast markkontakt, har stor inverkan på hastighet och totaltid. Jämfört visar detta att mer forskning inom området behövs för att kunna optimera träningsupplägg för löpare. / Purpose and question The purpose of the study is to show how Swedish elit runners total times relate to the different variables ground contact, flight time, speed, step rate and step length, with the main focus on how the ground contacts time affect speed. The study's two main questions were: (1) What is the relationship between the four variables: ground contact, flight time, step length and the velocity at the maximum speed at upright running (2) How do the variable ground contact and velocity correlate between elite runners competing within the track and field event 100 meters? Method A quantitative study was conducted in which 33 male and 20 female runs attempts were mapped with the measuring equipment Optojump. These measured values were analyzed in SPSS to compare correlation between each measurement value, a scatterplot between ground contact and speed, and the summary statistics were taken out. Results The results show that shorter ground contacts times can provide a faster running velocity, that the flight time between men and women is equal, the average of the runners in the study have lower step rate and step length then the literature presented in the study. Conclusions The result of the study shows that, like research studies, a shorter ground contact time can provide a higher horizontal running speed than a longer ground contact. However, the study illustrates that significantly more variables, than only ground contact, have a major impact on velocity and total time. In comparison, this shows that more research in the field is needed to optimize training for runners.

There is a rapid development within the unmanned aerial systems (UAS) technologies and the logistics industry leads the research, motivated by potential future profits when used for last-mile deliveries. The military have used unmanned aerial vehicles (UAV) for many decades, but the military usage of UAVs for deliveries is almost unheard of.  The main purpose of the study is to theoretically evaluate if existing payload carrying UAVs could increase the Swedish defence-logistics organizations capabilities. This study is delimited to tactical deliveries and UAVs with a maximal takeoff weight of less than 250 kg.  This study begins by investigating the Swedish Armed Forces logistical needs and the capabilities of the existing UAVs. It then performs a research overview in the subject to be updated on the latest insights which are complemented by discussions with expertise in the subject. The theory utilized are Systems Science, Systems Engineering and Military Capability which lay ground to the Military Utility concept which is developed to evaluate the value of military systems to support decision-makers when acquiring new complex systems. To evaluate the military logistics performance, Mosh Kress book Operational logistics was used.  The research is split into three phases, phase one utilizes the insights from the background research to select UAVs to evaluate and to develop three potential scenarios. In phase two the Military Utility evaluation models are developed for each scenario. Phase three evaluates the concept systems performance for the scenarios. The conclusion is that there is circumstantial Military Utility with UAS within the Swedish logistics organization. The potential exists when used for their strengths such as low response time in hard-to-reach areas, and where there is a desire to remove the operators from danger during the transport. Further there is a potential to save operative costs in terms of man-hours, but UAVs are quite vulnerable to electronic disturbances and the cold and windy Swedish climate. The civil airspace regulation is also a major hinder for UAS effective use as well as their limited payload capacity. / Den teknologiska utvecklingen inom obemannade flygande system (UAS) går snabbt framåt. Det är logistikindustrin som leder forskningen motiverade av framtida vinster när tekniken används för sista kilometern-transporter. Militären har använt obemannade flygande fordon (UAV) i flera decennier, men inte för materielleveranser i någon betydande utsträckning. Det huvudsakliga syftet med den här studien är att teoretiskt utvärdera om befintliga transport UAV:er kan öka den svenska försvarslogistiska förmågan. Studien är avgränsad till taktiska leveranser med UAV:er som har en maximal startvikt på 250 kg. Studien börjar med att undersöka de svenska försvarslogistiska behoven samt förmågorna av existerande UAV:er. Den genomför sedan en forskningsöversikt i ämnet för att uppdateras om de senaste insikterna som även kompletteras av diskussioner med experter i ämnet. Teorin som används är Systemteori, Systemteknik och Militär förmåga som lägger grunden för det Militär Nytta-konceptet. Konceptet är utvecklat för att utvärdera värdet av militära system och förse beslutstagare med stöd vid anskaffande av nya komplexa system. För att utvärdera den militära logistikprestandan används Mosh Kress bok Operational Logistics. Genomförandet delas upp i tre faser. I fas ett används insikterna från initiala undersökningen för att välja ut UAV:er att utvärdera samt utvecklas tre potentiella scenarier. I fas två utvecklas Militära Nytta utvärderingsmodellerna för vartdera scenario. I fas tre utvärderas systemkonceptens prestanda i scenarierna. Slutsatsen är att Militär Nytta med UAS finns till varierande grad beroende på omständigheterna. Potentialen för tekniken finns främst när den används för sina styrkor till exempel vid behov av snabba leveranser till svåråtkomliga platser, samt när det finns ett behov att få bort förare från farliga platser. Vidare så finns det potential att spara operativa kostnader genom reducering av man-timmar, men UAV:er är ganska sårbara till elektroniska störningar och det svenska klimatet. Även luftrumsregelverken är ett hinder för effektiv användning samt dess begränsade lastkapacitet.