Herramienta de interacción persona-ordenador para la operación de vehículos aéreos no tripulados

En la presente memoria se describe el trabajo de diseño de una herramienta de interacción persona-ordenador (HMI) para la operación y supervisión de vehículos aéreos no tripulados (UAV). En primer lugar se hace una introducción a los tipos de UAVs y aplicaciones más comunes, describiendo sus características técnicas y los componentes que integra en el sistema. Mediante la revisión y análisis de los diferentes niveles de autonomía y las diferentes soluciones de presentación existentes en el mercado, se identifican los modos de operación y componentes principales de la interfaz. A continuación se describe el diseño final del software de la interfaz y el proceso de desarrollo de la misma, para ello se hace un análisis previo del software robótico sobre el que opera el sistema abordo del UAV y se establecen los enlaces de comunicación entre cada uno de los componentes y los requisitos de integración con el sistema. Finalmente, se muestran las pruebas que se han realizado para validar la construcción de la herramienta. This report outlines the design and construction of a human-machine interface (HMI), designed to facilitate the supervision and operation with unmanned aerial vehicles (UAV). First, it is described an introduction to UAVs classification and application fields, reviewing the hardware features and software integration components. In order to define the basic components and operation modes in the general design, a brief review of the different presentation solutions and autonomous levels is described. As a result, it is presented the final software design, the components details and the system integration requirements. Finally, it is also concluded with some of the tests that have been conducted to validate the design and construction of the human-machine interface

Entorno de supervisión para vehículos aéreos no tripulados

La Universidad Politécnica de Madrid está investigando en el campo de la robótica inteligente, concretamente con el empleo de vehículos aéreos no tripulados (UAV). El objetivo final que se persigue con las investigaciones en este campo es el desarrollo de sistemas capaces de operar de forma más autónoma en un amplio espectro de situaciones. Dentro de este marco, este trabajo fin de grado se centra en el desarrollo de un sistema de supervisión para UAVs que persigue facilitar la monitorización de la ejecución de los procesos y facilitar la inclusión de procedimientos para incrementar la tolerancia a los fallos software. A lo largo de esta memoria se ofrece una revisión del estado del arte en el ámbito de la robótica, haciendo especial hincapié en la robótica inteligente con los métodos de desarrollo existentes y la definición de los distintos marcos de clasificación de la autonomía. También se ofrece una vista a las distintas técnicas existentes para lograr una mayor tolerancia a los fallos software, de entre las que han sido seleccionadas varias de ellas en la realización de este trabajo. Finalmente se describe el sistema de supervisión desarrollado, explicando primero el sistema desde un punto de vista funcional para más adelante adentrarse en la solución técnica elaborada. ---ABSTRACT--- The Universidad Politécnica de Madrid is currently handling several investigations regarding AI robotics, some of them are actually directing their efforts into the use of unmanned aerial vehicles (UAV). The goal in the long term for this investigations is the accomplishment of systems capable of operating autonomously, regardless of the situation the robot is place at. From this perspective, this final degree project focuses on de design and development of a supervision system for UAV’s, which function is to ease the monitoring of executing processes and the inclusion of fault tolerant procedures. During the development of this document a state of the art revision is offered, in which a thorough description through development methods and autonomy definitions for AI robotics is made. It is also offered a look around the different existing techniques for achieving a greater software fault tolerance, from which some of them were chosen for the development of this project. Finally the developed supervision system is described, first from a pure functional perspective of what the system should do and latter with a description of the actual technical solutions developed for this system.

Systematic Process for Building a Fault Diagnoser Based on Petri Nets Applied to a Helicopter

This work presents a systematic process for building a Fault Diagnoser (FD), based on Petri Nets (PNs) which has been applied to a small helicopter. This novel tool is able to detect both intermittent and permanent faults. The work carried out is discussed from theoretical and practical point of view. The procedure begins with a division of the whole system into subsystems, which are the devices that have to be modeled by using PN, considering both the normal and fault operations. Subsequently, the models are integrated into a global Petri Net diagnoser (PND) that is able to monitor a whole helicopter and show critical variables to the operator in order to determine the UAV health, preventing accidents in this manner. A Data Acquisition System (DAQ) has been designed for collecting data during the flights and feeding PN diagnoser with them. Several real flights (nominal or under failure) have been carried out to perform the diagnoser setup and verify its performance. A summary of the validation results obtained during real flight tests is also included. An extensive use of this tool will improve preventive maintenance protocols for UAVs (especially helicopters) and allow establishing recommendations in regulations

Utilização de veículo aéreo não tripulado de asa fixa no monitoramento e coleta de imagem de animais e ambientes em propriedades rurais

Este trabalho tem por finalidade mostrar a aplicação e a utilização de um aeromodelo elétrico de asa fixa, também conhecido como veículo aéreo não tripulado (VANT), com controle manual ou automático, para coleta de dados e imagens em propriedades rurais, com a premissa de auxiliar os gestores no processo de gestão e tomada de decisão. A metodologia utilizada para a realização das coletas foi feita por meio de voos programados em dias e condições diferentes, para verificação e análise de desempenho do aeromodelo. Os resultados obtidos com os voos foram acima do esperado, gerando excelentes imagens e dados confiáveis. Sendo assim, pôde-se concluir que a utilização de VANTs, em coletas de dados e imagens em propriedades rurais foi satisfatória e auxiliou os gestores no processo de gerenciamento e rotacionamento de animais no pasto, uma vez que as imagens permitiram uma boa visualização e o aeromodelo desenvolvido cumpriu o seu objetivo com bom desempenho e agilidade.

Arranjos de sensores orientados à missão para a geração automática de mapas temáticos em VANTs

O uso de veículos aéreos não tripulados (VANTs) tem se tornado cada vez mais comum, principalmente em aplicações de uso civil. No cenário militar, o uso de VANTs tem focado o cumprimento de missões específicas que podem ser divididas em duas grandes categorias: sensoriamento remoto e transporte de material de emprego militar. Este trabalho se concentra na categoria do sensoriamento remoto. O trabalho foca a definição de um modelo e uma arquitetura de referência para o desenvolvimento de sensores inteligentes orientados a missões específicas. O principal objetivo destas missões é a geração de mapas temáticos. Neste trabalho são investigados processos e mecanismos que possibilitem a geração desta categoria de mapas. Neste sentido, o conceito de MOSA (Mission Oriented Sensor Array) é proposto e modelado. Como estudos de caso dos conceitos apresentados são propostos dois sistemas de mapeamento automático de fontes sonoras, um para o caso civil e outro para o caso militar. Essas fontes podem ter origem no ruído gerado por grandes animais (inclusive humanos), por motores de combustão interna de veículos ou por atividade de artilharia (incluindo caçadores). Os MOSAs modelados para esta aplicação são baseados na integração de dados provenientes de um sensor de imageamento termal e uma rede de sensores acústicos em solo. A integração das informações de posicionamento providas pelos sensores utilizados, em uma base cartográfica única, é um dos aspectos importantes tratados neste trabalho. As principais contribuições do trabalho são a proposta de sistemas MOSA, incluindo conceitos, modelos, arquitetura e a implementação de referência representada pelo sistema de mapeamento automático de fontes sonoras.

A Novel Framework for Real-time Traffic Flow Parameter Estimation from Aerial Videos

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Voltage control on an uninhabited autonomous vehicle electrical distribution system

More-electric vehicle technology is becoming prevalent in a number of transportation systems because of its ability to improve efficiency and reduce costs. This paper examines the specific case of an Uninhabited Autonomous Vehicle (UAV), and the system topology and control elements required to achieve adequate dc distribution voltage bus regulation. Voltage control methods are investigated and a droop control scheme is implemented on the system. Simulation results are also presented.

Antecedents of loyalty for food products – Investigating the effects of subjective constructs

Our research aimed to reveal the effects that can be observed during the buying process of food products and can influence the decisions of customers. We focused on the role of enduring involvement in customers’ behavioural loyalty, that is, the repurchase of food brands. To understand this relationship in a more sophisticated way, we involved two mediating constructs in our conceptual model: perceived risk and perceived knowledge of food products. The data collection was carried out among undergraduate students in frame of an online survey, and we used SPSS/AMOS software to test the model. The results only partly supported our hypothesis, although the involvement effects on loyalty and the two mediating constructs were strong enough, loyalty couldn’t be explained well by perceived risk and knowledge. The roles of further mediating/moderating variables should be determined and investigated in the next section of the research series. Keywords: involvement brand loyalty, subjective knowledge, perceived risk, food products

The Role of Agriculture and Food Consumption in Tropical Conservation

A growing human population, shifting human dietary habits, and climate change are negatively affecting global ecosystems on a massive scale. Expanding agricultural areas to feed a growing population drives extensive habitat loss, and climate change compounds stresses on both food security and ecosystems. Understanding the negative effects of human diet and climate change on agricultural and natural ecosystems provides a context within which potential technological and behavioral solutions can be proposed to help maximize conservation. The purpose of this research was to (1) examine the potential effects of climate change on the suitability of areas for commercial banana plantations in Latin America in the 2050s and how shifts in growing areas could affect protected areas; (2) test the ability of small unmanned aerial vehicles (UAVs) to map productivity of banana plantations as a potential tool for increasing yields and decreasing future plantation expansions; (3) project the effects on biodiversity of increasing rates of animal product consumption in developing megadiverse countries; and (4) estimate the capacity of global pasture biomass production and Fischer-Tropsch hydrocarbon synthesis (IGCC-FT) processing to meet electricity, gasoline and diesel needs. The results indicate that (1) the overall extent of areas suitable for conventional banana cultivation is predicted to decrease by 19% by 2050 because of a hotter and drier climate, but all current banana exporting countries are predicted to maintain some suitable areas with no effects on protected areas; (2) Spatial patterns of NDVI and ENDVI were significantly positively correlated with several metrics of fruit yield and quality, indicating that UAV systems can be used in banana plantations to map spatial patterns of fruit yield; (3) Livestock production is the single largest driver of habitat loss, and both livestock and feedstock production are increasing in developing biodiverse tropical countries. Reducing global animal product consumption should therefore be at the forefront of strategies aimed at reducing biodiversity loss; (4) Removing livestock from global pasture lands and instead utilizing the biomass production could produce enough energy to meet 100% of the electricity, gasoline, and diesel needs of over 40 countries with extensive grassland ecosystems, primarily in tropical developing countries.

Criação de zonas de alta permeabilidade em fraturas: modelagem numérica do Lajedo de Soledade, Formação Jandaíra, Bacia Potiguar

The fracturing in carbonate rocks has been attracting increasingly attention due to new oil discoveries in carbonate reservoirs. This study investigates how the fractures (faults and joints) behave when subjected to different stress fields and how their behavior may be associated with the generation of karst and consequently to increased secondary porosity in these rocks. In this study I used satellite imagery and unmanned aerial vehicle UAV images and field data to identify and map faults and joints in a carbonate outcrop, which I consider a good analogue of carbonate reservoir. The outcrop comprises rocks of the Jandaíra Formation, Potiguar Basin. Field data were modeled using the TECTOS software, which uses finite element analysis for 2D fracture modeling. I identified three sets of fractures were identified: NS, EW and NW-SE. They correspond to faults that reactivate joint sets. The Ratio of Failure by Stress (RFS) represents stress concentration and how close the rock is to failure and reach the Mohr-Coulomb envelopment. The results indicate that the tectonic stresses are concentrated in preferred structural zones, which are ideal places for carbonate dissolution. Dissolution was observed along sedimentary bedding and fractures throughout the outcrop. However, I observed that the highest values of RFS occur in fracture intersections and terminations. These are site of karst concentration. I finally suggest that there is a relationship between stress concentration and location of karst dissolution in carbonate rocks.

Criação de zonas de alta permeabilidade em fraturas: modelagem numérica do Lajedo de Soledade, Formação Jandaíra, Bacia Potiguar

The fracturing in carbonate rocks has been attracting increasingly attention due to new oil discoveries in carbonate reservoirs. This study investigates how the fractures (faults and joints) behave when subjected to different stress fields and how their behavior may be associated with the generation of karst and consequently to increased secondary porosity in these rocks. In this study I used satellite imagery and unmanned aerial vehicle UAV images and field data to identify and map faults and joints in a carbonate outcrop, which I consider a good analogue of carbonate reservoir. The outcrop comprises rocks of the Jandaíra Formation, Potiguar Basin. Field data were modeled using the TECTOS software, which uses finite element analysis for 2D fracture modeling. I identified three sets of fractures were identified: NS, EW and NW-SE. They correspond to faults that reactivate joint sets. The Ratio of Failure by Stress (RFS) represents stress concentration and how close the rock is to failure and reach the Mohr-Coulomb envelopment. The results indicate that the tectonic stresses are concentrated in preferred structural zones, which are ideal places for carbonate dissolution. Dissolution was observed along sedimentary bedding and fractures throughout the outcrop. However, I observed that the highest values of RFS occur in fracture intersections and terminations. These are site of karst concentration. I finally suggest that there is a relationship between stress concentration and location of karst dissolution in carbonate rocks.

Progettazione ed analisi di algoritmi di mobilità controllata per reti mesh aeree con vincoli di copertura e persistenza

In questo lavoro di tesi verrà presentata l’implementazione di due algoritmi di Deployment e gestione di uno sciame di dispositivi UAV (Unmanned Aerial Vehicles). L’interesse scientifico su cui si fonda quest'analisi ha origine nelle enormi potenzialità degli UAV che garantiscono un'esplorazione aerea di aree pericolose in contesti di emergenze quali ad esempio scenari post catastrofe. La problematica principale affrontata sarà quella della gestione continuativa dell'area disastrata fornendo un algoritmo di schedulazione della cooperazione degli UAV alternando periodi attivi con quelli di ricarica dei dispositivi.

HDPR: A Mobile Testbed for Current and Future Rover Technologies

The paper in hand presents a mobile testbed –namely the Heavy Duty Planetary Rover (HDPR)– that was designed and constructed at the Automation and Robotics Laboratories (ARL) of the European Space Agency to fulfill the lab’s internal needs in the context of long range rover exploration as well as in order to provide the means to perform in situ testing of novel algorithms. We designed a rover that: a) is able to reliably perform long range routes, and b) carries an abundant of sensors (both current rover technology and futuristic ones). The testbed includes all the additional hardware and software (i.e. ground control station, UAV, networking, mobile power) to allow the prompt deployment on the field. The reader can find in the paper the description of the system as well as a report on our experiences during our first experiments with the testbed.

Confronto tra tecniche di remote sensing per la caratterizzazione di un ammasso roccioso presso le Gole di Scascoli, Loiano (BO)

Il versante sinistro delle Gole di Scascoli (BO) è caratterizzato da una marcata tendenza evolutiva per crollo e ribaltamento. Negli ultimi 25 anni si sono verificati eventi parossistici con volumi di roccia coinvolti rispettivamente di 7000 m3, 20000 m3 e 35000 m3. Il sito è di grande rilevanza a causa del forte fattore di rischio rappresentato per la strada di fondovalle ad esso adiacente. Il lavoro di tesi è stato finalizzato allo studio dei fenomeni di versante di una parete rocciosa inaccessibile nota in letteratura come “ex-Mammellone 1” mediante tecniche di telerilevamento quali TLS (Terrestrial Laser Scanning) e CRP (Close Range Photogrammetry) al fine affiancare il rilievo geomeccanico soggettivo dell’area svolto nel 2003 da ENSER Srl in seguito ai fenomeni di crollo del 2002. Lo sviluppo di tecnologie e metodi innovativi per l’analisi territoriale basata sull’impiego di UAV (Unmanned Aerial Vehicle, meglio noti come Droni), associata alle tecniche di fotogrammetria digitale costituisce un elemento di notevole ausilio nelle pratiche di rilevamento in campo di sicurezza e tempi di esecuzione. Il lavoro ha previsto una prima fase di rilevamento areo-fotogrammetrico mediante strumentazione professionale e amatoriale, a cui è seguita l’elaborazione dei rispettivi modelli. I diversi output sono stati confrontati dal punto di vista geomorfologico, geometrico, geomeccanico e di modellazione numerica di caduta massi. Dal lavoro è stato possibile indagare l’evoluzione morfologica del sito in esame negli ultimi 10 anni, confrontare diversi metodi di rilevamento e analisi dati, sperimentare la robustezza e ripetibilità geometrica del metodo fotogrammetrico per il rilievo di fronti rocciosi e mettere a punto un metodo semiautomatico di individuazione e analisi delle giaciture delle discontinuità.

Osservatore e controllore sensorless ad elevate prestazioni per propulsione elettrica di Unmanned Aerial Vehicles

Negli ultimi anni, tra le varie tecnologie che hanno acquisito una sempre maggiore popolarità e diffusione, una di particolare rilevanza è quella degli Unmanned Aerial Vehicles. Di questi velivoli, quelli che stanno riscuotendo maggiore successo sono i multirotori, alimentati esclusivamente da azionamenti elettrici disposti in opportune posizioni della struttura. Particolari sforzi sono stati recentemente dedicati al miglioramento di questa tecnologia in termini di efficienza e precisione, tuttavia quasi sempre si trascura la vitale importanza dello sfruttamento efficiente dei motori elettrici. La tecnica di pilotaggio adottata nella quasi totalità dei casi per questi componenti è il BLDC sensorless, anche se la struttura si dimostra spesso essere PMSM, dunque inadatta all’uso di questa strategia. Il controllo ideale per i PMSM risulterebbe essere FOC, tuttavia per l'implementazione sensorless molti aspetti scontati nel BLDC devono essere affrontati, in particolare bisogna risolvere problemi di osservazione e identificazione. Durante la procedura di avviamento, efficienti strategie di self-commissioning vengono adottate per l’identificazione dei parametri elettrici. Per la fase di funzionamento nominale viene proposto un osservatore composto da diversi componenti interfacciati tra loro tramite un filtro complementare, il tutto al fine di ottenere una stima di posizione e velocità depurata dai disturbi. In merito al funzionamento in catena chiusa, vengono esposte valutazioni preliminari sulla stabilità e sulla qualità del controllo. Infine, per provare la validità degli algoritmi proposti, vengono mostrati i risultati delle prove sperimentali condotte su un tipico azionamento per UAV, pilotato da una scheda elettronica progettata appositamente per l’applicazione in questione. Vengono fornite inoltre indicazioni sull’implementazione degli algoritmi studiati, in particolare considerazioni sull’uso delle operazioni a virgola fissa per velocizzare l'esecuzione.