Health Monitoring of Multirotor UAVs Using Frequency-Response Analysis. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Sherif Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 14 May 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

تقدّم هذه الأطروحة إطارًا لمراقبة الحالة الصحية قائمًا على استجابة التردد لأنظمة الدفع في الطائرات المسيّرة متعددة الدوّارات، مع تركيز خاص على اكتشاف التدهور العام في نظام الدفع. وعلى الرغم من أن الأدبيات تتضمن العديد من الدراسات التي تناولت أنماط أعطال محددة، مثل تلف المروحة، وتدهور المحرك، وأعطال المستشعرات، فإن معظم الطرق الحالية مصممة للتعامل مع أنواع أعطال محددة مسبقًا، ولذلك تفتقر إلى العمومية؛ إذ لا يمكن التنبؤ بطبيعة العطل الناشئ مسبقًا. وينبع الدافع وراء هذا العمل من الحاجة إلى منهجية موحّدة للمراقبة قادرة على اكتشاف نطاق واسع من التدهورات في مراحلها المبكرة دون الاعتماد على تصنيف مسبق للأعطال أو على استخدام أجهزة استشعار إضافية مكثفة. ويستند الإطار المقترح إلى فرضية أن الشذوذ في نظام الدفع يغيّر الاستجابة الديناميكية للمركبة، ومن ثم يمكن تحديده من خلال التغيرات في خصائصها ضمن مجال الترد د . تجمع الدراسة بين الجوانب النظرية والتجريبية. ففي الجانب النظري، تُثبت الدراسة أولًا مزايا مؤشرات الحالة الصحية في مجال التردد مقارنةً بنظيراتها في المجال الزمني، وذلك باستخدام نموذج محاكاة عالي الدقة لطائرة متعددة الدوّارات مع إدخال أنماط أعطال مختلفة. ولتعزيز حساسية اكتشاف الأعطال، تُقترح تقنية جديدة تُسمى طريقة بود التفاضلية. في هذه الطريقة، يتم إثارة هيكل الطائرة باستخدام إشارة Chirp بينما تستقر الطائرة المسيّرة على أرجل هبوط مثبتة على نوابض تسمح بحركة رأسية صغيرة لبضع ثوانٍ. وتمسح إشارة الإثارة نطاقًا تردديًا متمركزًا حول عرض النطاق الترددي للحلقة المغلقة لمحوري الدفع في التدحرج والميلان، مما ينتج عنه إثارة بنيوية تلتقطها مقاييس التسارع المدمجة وتُسترجع من سجل الطيران. ويتم تنفيذ روتين الإثارة مباشرة داخل كود التحكم في الطيار الآلي. بعد ذلك، تُستخدم إشارات مقاييس التسارع المسجلة لتقدير دوال استجابة التردد التي تقابل حالتي الصحة السليمة والحالة الصحية غير المعروفة. وعلى الرغم من أن المقارنات المباشرة لمخططات بود بين الحالتين تكشف عن انحرافات قليلة التمييز، فإن تمثيل بود للفرق بينهما يُظهر بصمات واضحة وقابلة للتكرار في كل من المقدار والطور، مما يوفر مؤشرات قوية على نوع العطل وشدته. وتُظهر نتائج المحاكاة أن تمثيل بود التفاضلي يحسّن الفصل بين مستويات شدة العطل بحوالي 10 ديسيبل مقارنةً بمخطط بود التقليدي، في حين تُمكّن استجابة الطور من التمييز بين أعطال المروحة والمحرك ووحدة التحكم الإلكترونية في السرعة ESC. تم التحقق من صحة الطريقة تجريبيًا على منصة طائرة متعددة الدوّارات ضمن ظروف اختبار أرضية مضبوطة باستخدام تكوينات مراوح سليمة، ومراوح ذات شفرة مقطوعة، ومراوح مزودة بشريط لاصق على الشفرة. وتم تسجيل استجابات محور التدحرج من خلال سجل الطيران الخاص بوحدة Pixhawk 6C ، ثم معالجتها لاحقًا ف ي MATLAB للحصول على دوال استجابة التردد الفردية ومخططات بود التفاضلية المقابلة. وقد أظهرت جميع حالات العطل انخفاضًا في عرض النطاق الترددي مقارنةً بخط الأساس السليم، مما يؤكد أن تدهور المروحة يقلل بشكل قابل للقياس من الاستجابة الديناميكية للمنصة . وبوجه عام، تُثبت هذه الأطروحة أن منهج بود التفاضلي يمثل إطارًا قابلًا للتفسير الفيزيائي والتطبيق العملي لمراقبة الحالة الصحية للطائرات متعددة الدوّارات. وسيمتد العمل المستقبلي ليشمل أنواعًا إضافية من الأعطال ومستويات مختلفة من الشدة، بهدف تطوير جاهزية هذه التقنية لتصبح أداة تشخيص أرضية موثوقة للطائرات متعددة الدوّارات التشغيلية .

English Abstract

This thesis presents a frequency response–based health monitoring framework for multirotor unmanned aerial vehicle propulsion systems, with particular emphasis on the detection of overall propulsion-system degradation. The literature offers numerous studies addressing specific fault modes, such as propeller damage, motor degradation, and sensor faults, yet most existing methods are tailored to predefined fault types and therefore lack generality, as the nature of an emerging fault cannot be anticipated. The present work is motivated by the need for a unified monitoring approach capable of detecting a broad range of early-stage degradations without relying on prior fault classification or extensive additional sensing hardware. The framework rests on the premise that propulsion-system abnormalities alter a vehicle’s dynamic response and can therefore be identified through changes in its frequency-domain characteristics. The investigation combines theoretical and experimental components, first theoretically establishing the advantages of frequency-domain health indicators over their time-domain counterparts using a high-fidelity multicopter simulation model with injected fault modes. To enhance fault-detection sensitivity, a novel technique is proposed termed the differential Bode method in which the airframe is excited by a chirp signal while the drone rests on spring-mounted landing legs that permit slight vertical motion for a few seconds. The excitation sweeps a frequency band centered on the closed-loop bandwidth of the roll and pitch propulsion axes and produces a structural excitation that the onboard accelerometers capture and is recorded in the flight log. The excitation routine is implemented directly in the autopilot control code. The recorded accelerometer signals are then used to estimate the frequency response functions (FRFs) corresponding to the healthy and the unknown health conditions. Although direct Bode comparisons of the two conditions reveal little distinguishable deviation, the Bode representation of their difference shows pronounced, repeatable signatures in both magnitude and phase, providing strong indicators of fault type and severity. Simulation results demonstrate that the differential Bode representation improves fault-severity separation by approximately 10 dB relative to the conventional Bode plot, and the phase response enables discrimination between propeller, motor, and electronic speed controller faults. The method was experimentally validated on a multicopter platform under controlled ground-test conditions using healthy, cut-blade, and taped-blade propeller configurations. Roll-axis responses were recorded via the Pixhawk 6C flight log and post-processed in MATLAB to obtain the individual FRFs and corresponding differential Bode plots. All faulty cases showed a difference in magnitude and phase diagrams compared to the healthy baseline, confirming that propeller degradation measurably diminishes the platform’s dynamic responsiveness. Overall, the thesis establishes the differential Bode approach as a physically interpretable, practically applicable framework for multirotor health monitoring. Future work will extend the method to additional fault types and severity levels with the aim of advancing its technological readiness as a reliable, ground-based diagnostic tool for operational multicopters.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Aerospace
Department:	College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Thesis Advisor:	Mohamed Ismail,
Thesis Committee Members:	Syed Saad Ali, Ramy Rashad,
Depositing User:	SHERIF AHMED (g202418160)
Date Deposited:	17 May 2026 06:13
Last Modified:	17 May 2026 06:13
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144300