Design and implementation of a relative localization system for ground and aerial robotic teams

The main focus of this thesis is to address the relative localization problem of a heterogenous team which comprises of both ground and micro aerial vehicle robots. This team configuration allows to combine the advantages of increased accessibility and better perspective provided by aerial robots with the higher computational and sensory resources provided by the ground agents, to realize a cooperative multi robotic system suitable for hostile autonomous missions. However, in such a scenario, the strict constraints in flight time, sensor pay load, and computational capability of micro aerial vehicles limits the practical applicability of popular map-based localization schemes for GPS denied navigation. Therefore, the resource limited aerial platforms of this team demand simpler localization means for autonomous navigation. Relative localization is the process of estimating the formation of a robot team using the acquired inter-robot relative measurements. This allows the team members to know their relative formation even without a global localization reference, such as GPS or a map. Thus a typical robot team would benefit from a relative localization service since it would allow the team to implement formation control, collision avoidance, and supervisory control tasks, independent of a global localization service. More importantly, a heterogenous team such as ground robots and computationally constrained aerial vehicles would benefit from a relative localization service since it provides the crucial localization information required for autonomous operation of the weaker agents. This enables less capable robots to assume supportive roles and contribute to the more powerful robots executing the mission. Hence this study proposes a relative localization-based approach for ground and micro aerial vehicle cooperation, and develops inter-robot measurement, filtering, and distributed computing modules, necessary to realize the system. The research study results in three significant contributions. First, the work designs and validates a novel inter-robot relative measurement hardware solution which has accuracy, range, and scalability characteristics, necessary for relative localization. Second, the research work performs an analysis and design of a novel nonlinear filtering method, which allows the implementation of relative localization modules and attitude reference filters on low cost devices with optimal tuning parameters. Third, this work designs and validates a novel distributed relative localization approach, which harnesses the distributed computing capability of the team to minimize communication requirements, achieve consistent estimation, and enable efficient data correspondence within the network. The work validates the complete relative localization-based system through multiple indoor experiments and numerical simulations. The relative localization based navigation concept with its sensing, filtering, and distributed computing methods introduced in this thesis complements system limitations of a ground and micro aerial vehicle team, and also targets hostile environmental conditions. Thus the work constitutes an essential step towards realizing autonomous navigation of heterogenous teams in real world applications.

Fibrous Aerial Robotics: study of spiderweb strategies for the design of architectural envelopes using swarms of drones and inflatable formworks

La tesi approccia in modo transdisciplinare biologia, architettura e robotica, con la finalità di indagare e applicare principi costruttivi attraverso l’interazione tra sciami di droni che depositano materiale fibroso su strutture gonfiabili di supporto. L’attenzione principale è nello sviluppo (attraverso un workflow computazionale che gestisce sciami di agenti costruttori) di una tettonica che integra struttura, spazio e ornamento all’interno dello stesso processo progettuale, il quale si sviluppa coerentemente dall’ideazione fino alla fabbricazione. Sono stati studiati modelli biologici quali le colonie di ragni sociali, i quali costruiscono artefatti di grandi dimensioni relativamente a quelle del singolo individuo grazie ad un’organizzazione coordinata ed emergente e alle proprietà dei sistemi fibrosi. L’auto-organizzazione e la decentralizzazione, insieme alle caratteristiche del sistema materiale, sono stati elementi indispensabili nell’estrapolazione prima e nella codificazione poi di un insieme di regole adatte allo sviluppo del sistema costruttivo. Parallelamente alla simulazione digitale si è andati a sviluppare anche un processo fisico di fabbricazione che, pur tenendo conto dei vincoli economici e tecnici, potesse dimostrarsi una prova di concetto e fattibilità del sistema costruttivo. Sono state investigate le possibilità che un drone offre nel campo della fabbricazione architettonica mediante il rilascio di fili su elementi gonfiabili in pressione. Il processo può risultare vantaggioso in scenari in cui non è possibile allestire infrastrutture costruttive tradizionali (es. gole alpine, foreste). Tendendo conto dei vincoli e delle caratteristiche del sistema di fabbricazione proposto, sono state esplorate potenzialità e criticità del sistema studiato.

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.

Bird's eye view of Clinton, Mass. 1876.

Perspective map not drawn to scale.

Bird's eye view of Watkins, N.Y. /

Oriented with north toward the upper right.

Wide Field of View Spectroscopy Using Fabry-Perot Interferometers

We present a high resolution spectrometer consisting of dual solid Fabry-Perot Interferometers (FPIs). This work is intended to be an all inclusive documentation of the instrument including discussion of the design of this instrument, the methods used in data reduction, and the analysis of these data. Each FPI is made of a single piece of L-BBH2 glass which has a high index of refraction n~2.07 with a thickness on the order of 100 μm. Each is then coated with partially reflective mirrors to create a resonant cavity and thus achieve a spectral resolution of R~30,000. Running the FPIs in tandem reduces the overlapping orders and allows for a much wider free spectral range and higher contrast. We will also discuss the properties of the FPIs which we have measured. This includes the tuning of the FPIs which is achieved by adjusting the temperature and thus changing the FPI gap and the refractive index of the material. The spectrometer then moves spatially in order to get spectral information at every point in the field of view. We select spectral lines for further analysis and create maps of the line depths across the field. Using this technique we are able to measure the fluorescence of chlorophyll in plants and attempt to observe zodiacal light. In the chlorophyll analysis we are able to detect chlorophyll fluorescence using the line depth in a plant using the sky as a reference solar spectrum. This instrument has possible applications in either a cubesat or aerial observations to measure bulk plant activity over large areas.

Unmanned Aerial Vehicle: tecnologie e prospettive future

Partendo dalla definizione di UAV e UAS, arrivando a quella di drone, nella tesi saranno definiti i termini precedenti, ossia un sistema aereo senza pilota a bordo, la nascita del termine drone e le tendenze attuali. Dopo una precisa classificazione nelle quattro categorie principali (droni per hobbisti, commerciali e militari di me- dia grandezza, militari specifici di grandi dimensioni e stealth da combattimento) saranno descritti gli ambiti di utilizzo: da un lato quello militare e della sicurezza, dall’altro quello civile e scientifico. I capitoli centrali della tesi saranno il cuore dell’opera: l’architettura dell’UAV sarà descritta analizzando la totalità delle sue componenti, sia hardware che software. Verranno, quindi, analizzati i problemi relativi alla sicurezza, focalizzandosi sull’hacking di un UAV, illustrandone le varie tecniche e contromisure (tra cui anche come nascondersi da un drone). Il lavoro della tesi prosegue nei capitoli successivi con un’attenta trattazione della normativa vigente e dell’etica dei droni (nonché del diritto ad uccidere con tali sistemi). Il capitolo relativo alla tecnologia stealth sarà importante per capire le modalità di occultamento, le tendenze attuali e i possibili sviluppi futuri degli UAV militari da combattimento. Il capitolo finale sugli sviluppi futuri esporrà le migliorie tecnologiche e gli obiettivi degli UAV negli anni a venire, insieme ad eventuali utilizzi sia militari che civili. La ricerca sarà orientata verso sistemi miniaturizzati, multiple UAV e swarming.