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.

Validação Computacional tendo em vista a Interoperabilidade entre os Veículos Aéreos Não Tripulados

Nos dias de hoje, com o contínuo desenvolvimento e inovação no campo dos UAVs (Unmanned Aerial Vehciles), o mundo já tem como adquiridos os benefícios que estes sistemas podem fornecer. Os benefícios obtidos com a aplicação destes sistemas abrange tanto as forças armadas como industrias e organizações civis. Todas as nações e indústrias querem ter uma cota parte no futuro desta tecnologia. Diferentes UAVs foram desenvolvidos, mas estes, diferem em termos de arquitetura e protocolos de comunicação. Protocolos como o STANAG 4586, MAVLink, JAUS e ROS são só alguns exemplos. A proliferação de informação através destes sistemas e as suas consolas de comando e controlo é uma das principais preocupações, principalmente pelas forças armadas. Uma das principais prioridades é combinar forças de diferentes nações, principalmente pelos membros NATO. A necessidade de uma consola para cada tipo de sistema devido à falta de padronização apresenta assim um problema. É conhecida a necessidade de uma padronização em termos de arquitetura por camadas e de comunicação tendo em vista a interoperabilidade entre estes sistemas. Não existe nenhuma que esteja a ser implementada como documento padrão. Pretende-se que o STANAG 4586 seja o documento padrão para os membros NATO e, por conseguinte, todos os esforços estão direcionados em desenvolver sistemas que o consigam implementar. Os diferentes UAVs já existentes possuem o seu próprio protocolo de comunicação e a alteração de toda a sua estrutura não é fácil. A ideia de fazer uma conversão de linguagens como alternativa surge como uma solução teórica ótima. Utilizando um piloto automático que comunica com a sua consola através da linguagem MAVLink esta dissertação tem como objetivo desenvolver um programa computacional que converta as mensagens MAVLink em STANAG 4586 e estudar se o tempo de conversão é operacionalmente válido tendo em conta os requisitos operacionais dos sistemas.

Control robusto por modos deslizantes de orden superior aplicado a vehículos aéreos no tripulados.

Tesis (Doctor en Ciencias de la Ingeniería Eléctrica) UANL, 2013.

Bases y procesos de certificación de sistemas aéreos no tripulados

El objetivo de la tesis es el de crear unas bases de certificación para sistemas aéreos remotamente pilotados teniendo en consideración los siguientes requisitos: 1) La base ha de tener una estructura similar a la existente para los aviones tripulados. De esta manera se favorecerá una futura convergencia entre las bases de certificación según las misiones realizadas y las tecnologías empleadas por aviones tripulados y pilotados a distancia vayan convergiendo. La CS 23 y FAR 23 van a ser modificadas en profundidad en un futuro inmediato. Se ha considerado la redacción de la nueva normativa propuesta. 2) Los requisitos han de considerar los cambios definidos por las autoridades que gestionan el espacio aéreo. En Europa es SESAR JU quien gestiona el proceso. 3) Los organismos reguladores de la aviación están emitiendo consejos y recomendaciones para permitir la operación de los RPAS en el espacio aéreo no segregado. Asimismo han establecido unos principios fundamentales en los que han de basarse las bases de certificación. Se analizarán los documentos publicados al respecto por OACI, FAA y EASA que han aumentado significativamente en 2015. 4) Los altos niveles de seguridad alcanzados por la aviación han sido principalmente conseguidos gracias a la existencia de unas bases de certificación que se han actualizado frecuentemente considerando la experiencia en el diseño y la operación. Esta experiencia en los RPAS es reducida pero puede aportar importante información de seguridad. ABSTRACT The Goal of the Thesis is to create a certification specification for remotely piloted systems (RPAS). The methodology used for the development of the standard considers the following constrains: 1. The Base shall be defined in a similar way as the standards used for manned aircraft of the same category. This procedure will make possible a future merging of the standards for manned and unmanned system. It is foreseen that the missions performed and the technology used will be similar in a near future. CS23 and FAR 23 are going to be completely modified in a near future. The changed proposed will also be considered. 2. The standards developed must consider all the changes that are being defined by the air traffic management authorities around the globe. In Europe the program is being managed by SESAR Joint Undertaking. 3. The regulatory organizations are providing technical advice and recommendations in order to permit the operation of the RPAS in non-segregated airspace. There has been a big amount of documentation issued in the last year by ICAO, EASA and FAA. The standards developed should consider and implement these requirements. 4. The high safety record obtained by the manned aviation has been mainly due to the continuous update of the certifications standards based on the experience. The experience in the design and operation of RPAS is reduced but can already provide important safety information.

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.

Sistema de visão para percepção e navegação de um UAV Quadrotor

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

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

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.

Um mecanismo para realçar a conectividade de roteamento geográfico na transmissão multimídia em VANTs

As redes de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) têm potencializado o uso de aplicações multimídia devido ao seu elevado grau de mobilidade e versatilidade. Esse crescimento ocorre pela facilidade de acesso e utilização dos VANTs quadricópteros em diversas aplicações civis. As aplicações civis têm como característica principal o uso de dados multimídia, como vídeos, por oferecerem uma perspectiva visual mais detalhada do ambiente. A transmissão desse tipo de dado nas redes VANTs por meio de protocolos geográ cos melhora a taxa de entrega de dados. Entretanto, ela ainda não é su ciente para prover qualidade de experiência (QoE). Isso ocorre devido ao elevado grau de mobilidade dos quadricópteros que ocasiona quebras de enlace durante a transmissão multimídia. Por consequência, ela prejudica a conectividade e induz a altas perdas de pacotes e atrasos. Então, este trabalho propõe um mecanismo, chamado RCRV, com base em técnicas de predição de mobilidade em termos de posicionamento e da estimativa do tempo de enlace para realçar a tomada de decisão de roteamento em protocolos geográ cos. Além disso, ele utiliza critérios que consideram os comportamentos de mobilidade dos VANTs. Assim, o RCRV possibilita o prolongamento da conectividade nas redes VANTs. O RCRV é um mecanismo que complementa as estratégias de roteamento dos protocolos geográ cos. Desse modo, adicionou-se o RCRV ao protocolo GPSR a m de avaliar os ganhos e benefícios do mecanismo em um protocolo de roteamento geográ co. Simulações foram realizadas com diferentes velocidades e números de VANTs. Os resultados mostraram que o RCRV aumenta a conectividade da transmissão, melhorando a entrega do conteúdo multimídia e a qualidade do vídeo observado pelo usuário.

Caracterização espectral de espécies de Mata Atlântica de Interior em nível foliar e de copa

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

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.

Integrated architecture for vision-based indoor localization and mapping of a quadrotor micro-air vehicle

Atualmente os sistemas de pilotagem autónoma de quadricópteros estão a ser desenvolvidos de forma a efetuarem navegação em espaços exteriores, onde o sinal de GPS pode ser utilizado para definir waypoints de navegação, modos de position e altitude hold, returning home, entre outros. Contudo, o problema de navegação autónoma em espaços fechados sem que se utilize um sistema de posicionamento global dentro de uma sala, subsiste como um problema desafiante e sem solução fechada. Grande parte das soluções são baseadas em sensores dispendiosos, como o LIDAR ou como sistemas de posicionamento externos (p.ex. Vicon, Optitrack). Algumas destas soluções reservam a capacidade de processamento de dados dos sensores e dos algoritmos mais exigentes para sistemas de computação exteriores ao veículo, o que também retira a componente de autonomia total que se pretende num veículo com estas características. O objetivo desta tese pretende, assim, a preparação de um sistema aéreo não-tripulado de pequeno porte, nomeadamente um quadricóptero, que integre diferentes módulos que lhe permitam simultânea localização e mapeamento em espaços interiores onde o sinal GPS ´e negado, utilizando, para tal, uma câmara RGB-D, em conjunto com outros sensores internos e externos do quadricóptero, integrados num sistema que processa o posicionamento baseado em visão e com o qual se pretende que efectue, num futuro próximo, planeamento de movimento para navegação. O resultado deste trabalho foi uma arquitetura integrada para análise de módulos de localização, mapeamento e navegação, baseada em hardware aberto e barato e frameworks state-of-the-art disponíveis em código aberto. Foi também possível testar parcialmente alguns módulos de localização, sob certas condições de ensaio e certos parâmetros dos algoritmos. A capacidade de mapeamento da framework também foi testada e aprovada. A framework obtida encontra-se pronta para navegação, necessitando apenas de alguns ajustes e testes.