Distributed approaches for coverage missions with multiple heterogeneous UAVs for coastal areas

Abstract

This Thesis focuses on a high-level framework proposal for heterogeneous aerial, fixed wing teams of robots, which operate in complex coastal areas. Recent advances in the computational capabilities of modern processors along with the decrement of small scale aerial platform manufacturing costs, have given researchers the opportunity to propose efficient and low-cost solutions to a wide variety of problems. Regarding marine sciences and more generally coastal or sea operations, the use of aerial robots brings forth a number of advantages, including information redundancy and operator safety. This Thesis initially deals with complex coastal decomposition in relation with a vehicles’ on-board sensor. This decomposition decreases the computational complexity of planning a flight path, while respecting various aerial or ground restrictions. The sensor-based area decomposition also facilitates a team-wide heterogeneous solution for any team of aerial vehicles. Then, it proposes a novel algorithmic approach of partitioning any given complex area, for an arbitrary number of Unmanned Aerial Vehicles (UAV). This partitioning schema, respects the relative flight autonomy capabilities of the robots, providing them a corresponding region of interest. In addition, a set of algorithms is proposed for obtaining coverage waypoint plans for those areas. These algorithms are designed to afford the non-holonomic nature of fixed-wing vehicles and the restrictions their dynamics impose. Moreover, this Thesis also proposes a variation of a well-known path tracking algorithm, in order to further reduce the flight error of waypoint following, by introducing intermediate waypoints and providing an autopilot parametrisation. Finally, a marine studies test case of buoy information extraction is presented, demonstrating in that manner the flexibility and modular nature of the proposed framework.

Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην πρόταση ενός δομικού πλαισίου υψηλού επιπέδου για ετερογενή, σταθερής πτέρυγας εναέρια ρομπότ, που λειτουργούν σε πολύπλοκες παράκτιες περιοχές. Οι πρόσφατες εξελίξεις στις υπολογιστικές δυνατότητες των σύγχρονων επεξεργαστών, σε συνδυασμό με το μειωμένο κόστος κατασκευής των αεροσκαφών μικρής κλίμακας, δίνουν στους ερευνητές την ευκαιρία να προτείνουν αποτελεσματικές και χαμηλού κόστους λύσεις σε μια ευρεία ποικιλία προβλημάτων. Όσον αφορά τις θαλάσσιες επιστήμες αλλά και γενικότερα τις παράκτιες ή θαλάσσιες δραστηριότητες, η χρήση εναέριων ρομπότ παρουσιάζει ορισμένα πλεονεκτήματα, μεταξύ των οποίων είναι και η πλεονάζουσα πληροφορία και η ασφάλεια των χειριστών. Αρχικά, αυτή η διατριβή ασχολείται με την αποσύνθεση μιας πολύπλοκης παράκτιας περιοχής, σε σχέση με τον αισθητήρα της ρομποτικής πλατφόρμας. Αυτή η αποσύνθεση έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της υπολογιστικής πολυπλοκότητας του σχεδιασμού ενός σχεδίου πτήσης καθώς και την ασφαλή αντιμετώπιση διάφορων εναέριων ή επίγειων περιορισμών. Η αποσύνθεση της περιοχής που βασίζεται στον αισθητήρα του οχήματος, ενισχύει επίσης τη συνοχή μιας καθολικής λύσης για ετερογενείς ομάδες εναέριων οχημάτων. Στη συνέχεια, προτείνει μια νέα αλγοριθμική προσέγγιση για τη διαίρεση μιας περιοχής, για οποιοδήποτε αριθμό μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων. Αυτή η πρόταση διαίρεσης και διαμοιρασμού της περιοχής, σέβεται τις σχετικές ικανότητες αυτονομίας της ομάδας των οχημάτων, παρέχοντας σε κάθε ένα μια περιοχή ενδιαφέροντος. Επιπλέον, προτείνεται ένα σύνολο αλγόριθμων για την απόκτηση σχεδίων πτήσης κάλυψης μιας ολόκληρης υποπεριοχής. Αυτοί οι αλγόριθμοι έχουν σχεδιαστεί λαμβάνοντας υπ΄όψιν τον μη ολονομικό χαρακτήρα των οχημάτων σταθερής πτέρυγας και τους περιορισμούς που επιβάλουν τα δυναμικά χαρακτηριστικά τους. Επίσης, αυτή η διατριβή προτείνει μια παραλλαγή ενός γνωστού path tracking αλγόριθμου, προκειμένου να μειωθεί περαιτέρω το σφάλμα πτήσης, εισάγοντας ενδιάμεσα σημεία αναφοράς στο σχέδιο πτήσης και παρέχοντας μια παραμετροποίηση του αυτόματου πιλότου. Τέλος, παρουσιάζεται μια μελέτη σε ένα σενάριο θαλάσσιων επιστημών, η οποία αποσκοπεί στην εξαγωγή πληροφορίας από θαλάσσιους σημαντήρες (buoys), παρουσιάζοντας έτσι την ευελιξία και την αρθρωτή φύση του προτεινόμενου πλαισίου.

Esta tesis se centra en la propuesta de un marco de alto nivel para equipos heterogéneos de robots de ala fija que operan en áreas costeras complejas. Los avances recientes en las capacidades computacionales de los procesadores modernos, junto con la disminución de los costes de fabricación de plataformas aéreas a pequeña escala, han brindado a los investigadores la oportunidad de proponer soluciones eficientes y de bajo coste para enfrentar un amplio abanico de cuestiones. Con respecto a las ciencias marinas y, en términos más generales, a las operaciones costeras o marítimas, el uso de robots aéreos conlleva una serie de ventajas, incluidas la redundancia de la información y la seguridad del operador. Esta tesis trata inicialmente con la descomposición de áreas costeras complejas en relación con el sensor a bordo de un vehículo. Esta descomposición disminuye la complejidad computacional de la planificación de una trayectoria de vuelo, al tiempo que respeta varias restricciones aéreas o terrestres. La descomposición del área basada en sensores también facilita una solución heterogénea para todo el equipo para cualquier equipo de vehículos aéreos. Luego, propone un novedoso enfoque algorítmico de partición de cualquier área compleja dada, para un número arbitrario de vehículos aéreos no tripulados (UAV). Este esquema de partición respeta las capacidades relativas de autonomía de vuelo de los robots, proporcionándoles una región de interés correspondiente. Además, se propone un conjunto de algoritmos para obtener planes de puntos de cobertura para esas áreas. Estos algoritmos están diseñados teniendo en cuenta la naturaleza no holonómica de los vehículos de ala fija y las restricciones que impone su dinámica. En ese sentido, esta Tesis también ofrece una variación de un algoritmo de seguimiento de rutas bien conocido, con el fin de reducir aún más el error de vuelo del siguiente punto de recorrido, introduciendo puntos intermedios y proporcionando una parametrización del piloto automático. Finalmente, se presenta un caso de prueba de estudios marinos de extracción de información de boyas, que demuestra de esa manera la flexibilidad y el carácter modular del marco propuesto.