Planeamento de Trajetória para Operações de Busca e Salvamento com UAVs

Os sistemas autónomos trazem como mais valia aos cenários de busca e salvamento a possibilidade de minimizar a presença de Humanos em situações de perigo e a capacidade de aceder a locais de difícil acesso. Na dissertação propõe-se endereçar novos métodos para perceção e navegação de veículos aéreos não tripulados (UAV), tendo como foco principal o planeamento de trajetórias e deteção de obstáculos. No que respeita à perceção foi desenvolvido um método para gerar clusters tendo por base os voxels gerados pelo Octomap. Na área de navegação, foram desenvolvidos dois novos métodos de planeamento de trajetórias, GPRM (Grid Probabilistic Roadmap) e PPRM (Particle Probabilistic Roadmap), que tem como método base para o seu desenvolvimento o PRM. O primeiro método desenvolvido, GPRM, espalha as partículas numa grid pré-definida, construindo posteriormente o roadmap na área determinada pela grid e com isto estima o trajeto mais curto até ao ponto destino. O segundo método desenvolvido, PPRM, espalha as partículas pelo cenário de aplicação, gera o roadmap considerando o mapa total e atribui uma probabilidade que irá permitir definir a trajetória otimizada. Para analisar a performance de cada método em comparação com o PRM, efetua-se a sua avaliação em três cenários distintos com recurso ao simulador MORSE.

Project SKY-EYE: applying UAVs to forest fire fighter support and monitoring

Peer reviewed

Desarrollo de un datalink con el chip CC1110 de Texas Instruments para UAVs

Se trata de estudiar el comportamiento de un sistema basado en el chip CC1110 de Texas Instruments, para aplicaciones inalámbricas. Los dispositivos basados en este tipo de chips tienen actualmente gran profusión, dada la demanda cada vez mayor de aplicaciones de gestión y control inalámbrico. Por ello, en la primera parte del proyecto se presenta el estado del arte referente a este aspecto, haciendo mención a los sistemas operativos embebidos, FPGAs, etc. También se realiza una introducción sobre la historia de los aviones no tripulados, que son el vehículo elegido para el uso del enlace de datos. En una segunda parte se realiza el estudio del dispositivo mediante una placa de desarrollo, verificando y comprobando mediante el software suministrado, el alcance del mismo. Cabe resaltar en este punto que el control con la placa mencionada se debe hacer mediante programación de bajo nivel (lenguaje C), lo que aporta gran versatilidad a las aplicaciones que se pueden desarrollar. Por ello, en una tercera parte se realiza un programa funcional, basado en necesidades aportadas por la empresa con la que se colabora en el proyecto (INDRA). Este programa es realizado sobre el entorno de Matlab, muy útil para este tipo de aplicaciones, dada su versatilidad y gran capacidad de cálculo con variables. Para terminar, con la realización de dichos programas, se realizan pruebas específicas para cada uno de ellos, realizando pruebas de campo en algunas ocasiones, con vehículos los más similares a los del entorno real en el que se prevé utilizar. Como implementación al programa realizado, se incluye un manual de usuario con un formato muy gráfico, para que la toma de contacto se realice de una manera rápida y sencilla. Para terminar, se plantean líneas futuras de aplicación del sistema, conclusiones, presupuesto y un anexo con los códigos de programación más importantes. Abstract In this document studied the system behavior based on chip CC1110 of Texas Instruments, for wireless applications. These devices currently have profusion. Right the increasing demand for control and management wireless applications. In the first part of project presents the state of art of this aspect, with reference to the embedded systems, FPGAs, etc. It also makes a history introduction of UAVs, which are the vehicle for use data link. In the second part is studied the device through development board, verifying and checking with provided software the scope. The board programming is C language; this gives a good versatility to develop applications. Thus, in third part performing a functionally program, it based on requirements provided by company with which it collaborates, INDRA Company. This program is developed with Matlab, very useful for such applications because of its versatility and ability to use variables. Finally, with the implementation of such programs, specific tests are performed for each of them, field tests are performed in several cases, and vehicles used for this are the most similar to the actual environment plain to use. Like implementing with the program made, includes a graphical user manual, so your understanding is conducted quickly and easily. Ultimately, present future targets for system applications, conclusions, budget and annex of the most important programming codes.

A hierarchical strategy for real-time tracking on-board UAVs

In this paper, we present a real-time tracking strategy based on direct methods for tracking tasks on-board UAVs, that is able to overcome problems posed by the challenging conditions of the task: e.g. constant vibrations, fast 3D changes, and limited capacity on-board. The vast majority of approaches make use of feature-based methods to track objects. Nonetheless, in this paper we show that although some of these feature-based solutions are faster, direct methods can be more robust under fast 3D motions (fast changes in position), some changes in appearance, constant vibrations (without requiring any specific hardware or software for video stabilization), and situations where part of the object to track is out the field of view of the camera. The performance of the proposed strategy is evaluated with images from real-flight tests using different evaluation mechanisms (e.g. accurate position estimation using a Vicon sytem). Results show that our tracking strategy performs better than well known feature-based algorithms and well known configurations of direct methods, and that the recovered data is robust enough for vision-in-the-loop tasks.

Arquitectura cognitiva híbrida para la navegación autónoma de UAVs mediante mapas topológicos visuales

El objetivo fundamental de la presente tesis doctoral es el diseño de una arquitectura cognitiva, que pueda ser empleada para la navegación autónoma de vehículos aéreos no tripulados conocidos como UAV (Unmanned Aerial Vehicle). Dicha arquitectura cognitiva se apoya en la definición de una librería de comportamientos, que aportarán la inteligencia necesaria al UAV para alcanzar los objetivos establecidos, en base a la información sensorial recopilada del entorno de operación. La navegación autónoma del UAV se apoyará en la utilización de un mapa topológico visual, consistente en la definición de un grafo que engloba mediante nodos los diferentes landmarks ubicados en el entorno, y que le servirán al UAV de guía para alcanzar su objetivo. Los arcos establecidos entre los nodos del mapa topológico, le proporcionarán de la información necesaria para establecer el rumbo más adecuado para alcanzar el siguiente landmark a visitar, siguiendo siempre una secuencia lógica de navegación, basada en la distancia entre un determinado landmark con respecto al objetivo final ó landmark destino. La arquitectura define un mecanismo híbrido de control, el cual puede conmutar entre dos diferentes modos de navegación. El primero es el denominado como Search Mode, el cual se activará cuando el UAV se encuentre en un estado desconocido dentro del entorno, para lo cual hará uso de cálculos basado en la entropía para la búsqueda de posibles landmarks. Se empleará como estrategia novedosa la idea de que la entropía de una imagen tiene una correlación directa con respecto a la probabilidad de que dicha imagen contenga uno ó varios landmarks. De esta forma, la estrategia para la búsqueda de nuevos landmarks en el entorno, se basará en un proceso continuo de maximización de la entropía. Si por el contrario el UAV identifica la existencia de un posible landmark entre los definidos en su mapa topológico, se considerará que está sobre un estado conocido, por lo que se conmutará al segundo modo de navegación denominado como Homing Mode, el cual se encargará de calcular señales de control para la aproximación del UAV al landmark localizado. Éste último modo implementa un control dual basado en dos tipos de controladores (FeedForward/FeedBack) que mediante su combinación, aportarán al UAV señales de control cada vez más óptimas, además de llevar a cabo un entrenamiento continuo y en tiempo real. Para cumplir con los requisitos de ejecución y aprendizaje en tiempo real de la arquitectura, se han tomado como principales referencias dos paradigmas empleados en diferentes estudios dentro del área de la robótica, como son el paradigma de robots de desarrollo (developmental robots) basado en un aprendizaje del robot en tiempo real y de forma adaptativa con su entorno, así como del paradigma de modelos internos (internal models) basado en los resultados obtenidos a partir de estudios neurocientíficos del cerebelo humano; dicho modelo interno sirve de base para la construcción del control dual de la arquitectura. Se presentarán los detalles de diseño e implementación de los diferentes módulos que componen la arquitectura cognitiva híbrida, y posteriormente, los diferentes resultados obtenidos a partir de las pruebas experimentales ejecutadas, empleando como UAV la plataforma robótica aérea de AR.Drone. Como resultado final se ha obtenido una validación completa de la arquitectura cognitiva híbrida objetivo de la tesis, cumplimento con la totalidad de requisitos especificados y garantizando su viabilidad como aplicación operativa en el mundo real. Finalmente, se muestran las distintas conclusiones a las cuales se ha llegado a partir de los resultados experimentales, y se presentan las diferentes líneas de investigación futuras que podrán ser ejecutadas.

A Hierarchical Tracking Strategy for Vision-Based Applications On-Board UAVs

In this paper, we apply a hierarchical tracking strategy of planar objects (or that can be assumed to be planar) that is based on direct methods for vision-based applications on-board UAVs. The use of this tracking strategy allows to achieve the tasks at real-time frame rates and to overcome problems posed by the challenging conditions of the tasks: e.g. constant vibrations, fast 3D changes, or limited capacity on-board. The vast majority of approaches make use of feature-based methods to track objects. Nonetheless, in this paper we show that although some of these feature-based solutions are faster, direct methods can be more robust under fast 3D motions (fast changes in position), some changes in appearance, constant vibrations (without requiring any specific hardware or software for video stabilization), and situations in which part of the object to track is outside of the field of view of the camera. The performance of the proposed tracking strategy on-board UAVs is evaluated with images from realflight tests using manually-generated ground truth information, accurate position estimation using a Vicon system, and also with simulated data from a simulation environment. Results show that the hierarchical tracking strategy performs better than wellknown feature-based algorithms and well-known configurations of direct methods, and that its performance is robust enough for vision-in-the-loop tasks, e.g. for vision-based landing tasks.

Geometric versus Model Predictive Control based guidance algorithms for fixed-wing UAVs in the presence of very strong wind fields.

The recent years have witnessed increased development of small, autonomous fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). In order to unlock widespread applicability of these platforms, they need to be capable of operating under a variety of environmental conditions. Due to their small size, low weight, and low speeds, they require the capability of coping with wind speeds that are approaching or even faster than the nominal airspeed. In this thesis, a nonlinear-geometric guidance strategy is presented, addressing this problem. More broadly, a methodology is proposed for the high-level control of non-holonomic unicycle-like vehicles in the presence of strong flowfields (e.g. winds, underwater currents) which may outreach the maximum vehicle speed. The proposed strategy guarantees convergence to a safe and stable vehicle configuration with respect to the flowfield, while preserving some tracking performance with respect to the target path. As an alternative approach, an algorithm based on Model Predictive Control (MPC) is developed, and a comparison between advantages and disadvantages of both approaches is drawn. Evaluations in simulations and a challenging real-world flight experiment in very windy conditions confirm the feasibility of the proposed guidance approach.

Sviluppo di Algoritmi di Localizzazione 3D Passiva per UAVs

Gli UAV, o meglio conosciuti come ‘droni’, sono aeromobili a pilotaggio remoto il cui utilizzo si estende dal settore militare a quello civile. Quest’ultimi, possono essere attrezzati con numerosi dispositivi accessori, come ad esempio disturbatori di frequenze. La simbiosi UAV-jammer attacca le comunicazioni wireless tramite interferenze a radiofrequenza, per degradare o interrompere il servizio offerto dalle reti. Questo elaborato, si concentra sull’analisi di algoritmi di localizzazione passiva, per stimare la posizione dell’UAV e interrompere l’interferenza. Inizialmente, viene descritto il segnale emesso dall’UAV, che utilizza lo standard di comunicazione 802.11a. A seguire, dato che la localizzazione passiva si basa sulle misure TDOA rilevate da una stazione di monitoraggio a terra, vengono presentati tre algoritmi di stima TDOA, tra i quali fast TDOA, adaptive threshold-based first tap detection e un algoritmo sviluppato per i nuovi sistemi GNSS. Successivamente, vengono esaminati tre algoritmi di localizzazione passiva, che sfruttano il principio dei minimi quadrati (LS), ovvero il CTLS, LCLS e CWLS. Infine, le prestazioni degli algoritmi di localizzazione vengono valutate in un ambiente di simulazione realistico, con canale AWGN o con canale ITU Extended pedestrian A.

Modeling and Analysis of Piezoelectric Energy Harvesting From Aeroelastic Vibrations Using the Doublet-Lattice Method

Multifunctional structures are pointed out as an important technology for the design of aircraft with volume, mass, and energy source limitations such as unmanned air vehicles (UAVs) and micro air vehicles (MAVs). In addition to its primary function of bearing aerodynamic loads, the wing/spar structure of an UAV or a MAV with embedded piezoceramics can provide an extra electrical energy source based on the concept of vibration energy harvesting to power small and wireless electronic components. Aeroelastic vibrations of a lifting surface can be converted into electricity using piezoelectric transduction. In this paper, frequency-domain piezoaeroelastic modeling and analysis of a canti-levered platelike wing with embedded piezoceramics is presented for energy harvesting. The electromechanical finite-element plate model is based on the thin-plate (Kirchhoff) assumptions while the unsteady aerodynamic model uses the doublet-lattice method. The electromechanical and aerodynamic models are combined to obtain the piezoaeroelastic equations, which are solved using a p-k scheme that accounts for the electromechanical coupling. The evolution of the aerodynamic damping and the frequency of each mode are obtained with changing airflow speed for a given electrical circuit. Expressions for piezoaeroelastically coupled frequency response functions (voltage, current, and electrical power as well the vibratory motion) are also defined by combining flow excitation with harmonic base excitation. Hence, piezoaeroelastic evolution can be investigated in frequency domain for different airflow speeds and electrical boundary conditions. [DOI:10.1115/1.4002785]

Piezoaeroelastic Modeling and Analysis of a Generator Wing with Continuous and Segmented Electrodes

Unmanned air vehicles (UAVs) and micro air vehicles (MAVs) constitute unique application platforms for vibration-based energy harvesting. Generating usable electrical energy during their mission has the important practical value of providing an additional energy source to run small electronic components. Electrical energy can be harvested from aeroelastic vibrations of lifting surfaces of UAVs and MAVs as they tend to have relatively flexible wings compared to their larger counterparts. In this work, an electromechanically coupled finite element model is combined with an unsteady aerodynamic model to develop a piezoaeroelastic model for airflow excitation of cantilevered plates representing wing-like structures. The electrical power output and the displacement of the wing tip are investigated for several airflow speeds and two different electrode configurations (continuous and segmented). Cancelation of electrical output occurs for typical coupled bending-torsion aeroelastic modes of a cantilevered generator wing when continuous electrodes are used. Torsional motions of the coupled modes become relatively significant when segmented electrodes are used, improving the broadband performance and altering the flutter speed. Although the focus is placed on the electrical power that can be harvested for a given airflow speed, shunt damping effect of piezoelectric power generation is also investigated for both electrode configurations.

Sistema de visão para percepção e navegação de um UAV Quadrotor

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Desenvolvimento de módulos para planeamento e controlo de execução de missões de veículos aéreos não tripulados

Com a evolução da tecnologia, os UAVs (unmanned aerial vehicles) são cada vez mais utilizados, não só em missões de risco para o ser Humano, mas também noutro tipo de missões, como é o caso de missões de inspeção, vigilância, busca e salvamento. Isto devese ao baixo custo das plataformas assim como à sua enorme fiabilidade e facilidade de operação. Esta dissertação surge da necessidade de aumentar a autonomia dos UAVs do projeto PITVANT (Projeto de Investigação e Tecnologia em Veículos Aéreos Não Tripulados), projeto de investigação colaborativa entre a AFA (Academia da Força Aérea) e a FEUP (Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto), relativamente ao planeamento de trajetórias entre dois pontos no espaço, evitando os obstáculos que intersetem o caminho. Para executar o planeamento da trajetória mais curta entre dois pontos, foi implementado o algoritmo de pesquisa A*, por ser um algoritmo de pesquisa de soluções ótimas. A área de pesquisa é decomposta em células regulares e o centro das células são os nós de pesquisa do A*. O tamanho de cada célula é dependente da dinâmica de cada aeronave. Para que as aeronaves não colidam com os obstáculos, foi desenvolvido um método numérico baseado em relações trigonométricas para criar uma margem de segurança em torno de cada obstáculo. Estas margens de segurança são configuráveis, sendo o seu valor por defeito igual ao raio mínimo de curvatura da aeronave à velocidade de cruzeiro. De forma a avaliar a sua escalabilidade, o algoritmo foi avaliado com diferentes números de obstáculos. As métricas utilizadas para avaliação do algoritmo foram o tempo de computação do mesmo e o comprimento do trajeto obtido. Foi ainda comparado o desempenho do algoritmo desenvolvido com um algoritmo já implementado, do tipo fast marching.

Estudo conceptual do desenvolvimento de uma célula Mini-UAV

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

UAV - based imagery processing using structure from motion and remote sensing technology

With the recent advances in technology and miniaturization of devices such as GPS or IMU, Unmanned Aerial Vehicles became a feasible platform for a Remote Sensing applications. The use of UAVs compared to the conventional aerial platforms provides a set of advantages such as higher spatial resolution of the derived products. UAV - based imagery obtained by a user grade cameras introduces a set of problems which have to be solved, e. g. rotational or angular differences or unknown or insufficiently precise IO and EO camera parameters. In this work, UAV - based imagery of RGB and CIR type was processed using two different workflows based on PhotoScan and VisualSfM software solutions resulting in the DSM and orthophoto products. Feature detection and matching parameters influence on the result quality as well as a processing time was examined and the optimal parameter setup was presented. Products of the both workflows were compared in terms of a quality and a spatial accuracy. Both workflows were compared by presenting the processing times and quality of the results. Finally, the obtained products were used in order to demonstrate vegetation classification. Contribution of the IHS transformations was examined with respect to the classification accuracy.