System-Level Design, Experimental Validation, and Optimization of a Four-Layer PCB Embedded Autopilot System. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF RawanAlnawasreh_202309810.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 20 May 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تهدف هذه الرساله إلى توضيح التطور المعماري المنهجي لنظام طيار آلي مدمج يعتمد على بنية لوحة دوائر مطبوعة رباعية والمخصص لتطبيقات الملاحة الجوية. يتمثل الهدف في إنشاء نظام مدمج مفتوح ومرن وقابل للتوسع لتقديم ،) (PCBالطبقات حل بحثي لأنظمة الملاحة الجوية، بديلاا عن الحلول التجارية مغلقة المصدر المرتبطة عادةا بارتفاع التكلفة ومحدودية مرونة .العتاد والبرمجيات في هذا البحث، تم اتباع منهجية تطوير تدريجية للنظام قائمة على التحقق المرحلي. خلال المرحلة الأولى، تم تطوير نموذج ونظام اتصال قصير المدى. كان الهدف الرئيسي من هذه المرحلة هو ، GPSأولي باستخدام متحكم دقيق واحد، ومستقبل التحقق من النظام المقترح من حيث جمع بيانات الحساسات وإرسالها إلى محطة أرضية. وقد أُجريت اختبارات تجريبية على .مستوى الوحدات لإثبات قابلية جمع البيانات والاتصال، مما أدى إلى اعتماد النظام المقترح والانتقال إلى بنية نظام أكثر تقدماا في المرحلة التالية من تطوير النظام، أُعيد تصميم بنية النظام لتتضمن معمارية موزعة تعتمد على ثلاثة متحكمات دقيقة ،لتحسين توزيع المهام، واستقرار النظام، والفصل الوظيفي بين معالجة البيانات والاتصال وإدارة الحساسات. علاوة على ذلك وقد أدى ذلك إلى . GNSSإلى جانب مستقبل Gلتوفير اتصال SIM7600 4تم استبدال نظام تحديد الموقع الأصلي بوحدة الانتقال من مخطط اتصال محلي إلى مخطط اتصال قائم على السحابة يسمح بإرسال البيانات إلى منصة إنترنت الأشياء (IoT). لإتاحة )I2Cو SPIو (UARTعلاوة على ذلك، تم تعزيز قابلية توسع النظام من خلال إضافة عدة واجهات اتصال تسلسلية إمكانية إضافة حساسات إضافية مستقبلاا. كما تم دمج نظام لمراقبة البطارية لتعزيز موثوقية النظام. وقد تم تصميم وتصنيع .اللوحة الإلكترونية رباعية الطبقات لتمكين التكامل البنيوي للمعمارية المقترحة يمثل النظام المقترح تطوراا ملحوظاا من نموذج إثبات المفهوم الأساسي إلى تطوير بنية نظام مدمج قابل للتوسع ومرتَ ِكز على الاتصال، مع إمكانية إضافة الذكاء الاصطناعي مستقبلاا. ويساهم هذا العمل في مجال الأنظمة المدمجة في تطوير أنظمة الملاحة والتحكم المدمجة من خلال تقديم نظام مدمج منخفض التكلفة وقابل للتوسع وموجه للأغراض البحثي

English Abstract

This study aims to illustrate the systematic architectural evolution of an embedded autopilot system with a four-layer Printed Circuit Board (PCB) architecture, intended for aerial navigation applications. The objective is to create a flexible and scalable open embedded system to provide a research-oriented solution to aerial navigation systems, replacing closed-source commercial solutions commonly linked to high costs and restricted hardware and firmware flexibility. In this research, a progressive system development approach with staged validation was employed. During the first stage, a prototype system was developed using a single microcontroller, a global positioning system (GPS) receiver, and a short-range communication system. The main objective of this stage was to validate the proposed system in terms of sensor data acquisition and communication to a ground station. Experimental tests were conducted on a module level to prove the viability of data acquisition and communication, thus validating the proposed system and advancing to a more advanced system architecture. In the following stage of the system's development, the system's architecture has been redesigned to include a distributed architecture based on three microcontrollers to better handle task allocation, system stability, and functional separation of data processing, communication, and sensor management. Moreover, the original positioning system has been replaced by the 4G LTE Communication and Global Navigation Satellite System (GNSS) Module (SIM7600) to provide 4G connectivity along with a GNSS receiver. This has led to the development from the original local communication scheme to the development of a cloud-oriented communication scheme to allow for the transmission of data to the Internet of Things (IoT) platform. Furthermore, the scalability of the system has been enhanced through the addition of multiple serial communication interfaces (UART, SPI, and I2C) to allow for the potential additional sensors. A battery monitoring system has been incorporated to enhance the reliability of the system. The four-layer PCB has been designed and manufactured to allow for the structural integration of the proposed architecture. The proposed system is a significant development from the original basic proof of concept to the development of a scalable communication-oriented embedded system architecture that has the potential for the future addition of artificial intelligence (AI). This work contributes to the field of embedded systems in the development of embedded navigation and control systems through the development of a cost-effective, scalable, and research-oriented embedded system.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Engineering Research Research > Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Control and Instrumentation Engineering
Thesis Advisor:	Sami El-ferik,
Thesis Committee Members:	Nezar Yazidi, Bilal Siddiqui,
Depositing User:	RAWAN ALNAWASRAH (g202309810)
Date Deposited:	02 Jun 2026 06:31
Last Modified:	02 Jun 2026 06:31
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144412