Stavová estimace pro reálné nasazení autonomních dronů v náročných prostředích

Abstract

Cílem této práce je identifikovat největší výzvy při nasazení dronů v náročných reálných podmínkách, najít a navrhnout řešení, která povedou k spolehlivému autonomnímu provozu, a ověřit, že navržené přístupy vydrží extrémní podmínky pátracích a záchranných misí. Tato práce je kompilací šesti stěžejních publikací a její příspěvky jsou rozděleny do dvou logických částí: 1) reálné nasazení autonomních dronů v terénu v náročných podmínkách a 2) odhad stavu dronu se zaměřením na navigaci ve scénářích bez přístupu ke GNSS. První okruh je motivován především operacemi pátrání a záchrany reprezentovanými soutěží DARPA ubterranean Challenge (SubT), která realisticky napodobuje misi hledání přeživších v neznámých podzemních prostorách. Požadavek na jediného operátora nutil soutěžící týmy zaměřit se na autonomii svých robotů, aby operátor nebyl přetěžován řízením pohybu každého robota.V rámci práce představujeme jednotlivé komponenty, které tvoří ucelený systém pro spolehlivý rychlý průzkum s více roboty v prostředích bez přístupu ke GNSS, kde drony plní roli rychlých průzkumníků pro počáteční sběr informací a získání povědomí o situaci v terénu často neprostupném pro roboty s jinými způsoby pohybu.Schopnost rychle prohledávat velké objemy podzemních prostor spolupracujícím týmem dronů byla oceněna druhým místem ve virtuální části v závěrečném kole soutěže DARPA SubT.Druhá polovina práce je zaměřena na odhadování stavu, lokalizaci a mapování. Významným přínosem a nedílnou součástí autonomního letu našich dronů je MRS UAV Systém.Autor této práce navrhl přístup pro odhad stavu, který je multimodální a odolný vůči poruchám, což přispívá k výjimečné odolnosti celého systému.MRS UAV Systém je základem mnoha výzkumných a průmyslových projektů a také platformou pro výuku robotických kurzů a vývoj nových algoritmů pro řízení dronu. Dále představujeme novou prostorovou reprezentaci pro rychlé plánování s ohledem na bezpečnost, která umožňuje let bez kolizí v prostředí o velikosti jen několik centimetrů větší, než je velikost dronu.Nakonec navrhujeme nové řešení pro odhad stavu založené na fúzi rychlostí vrtulí dronu. Tento přístup je, na rozdíl od nejmodernějších metod založených na inerciálních měřeních, odolný vůči vibracím způsobených vrtulemi.

The goal of this thesis is to identify the greatest challenges for the deployment of UAVs in harsh real-world conditions, find and propose solutions that lead to reliable autonomous operation, and verify that the proposed approaches withstand the extreme conditions of search and rescue scenarios.This thesis is a compilation of six core publications. Its contributions are divided into two logical parts: 1) the real-world field deployment of autonomous UAVs in demanding conditions and 2) the UAV state estimation with a focus on navigation in GNSS-denied scenarios.The first segment is motivated primarily by Search and Rescue (SAR) operations represented by the DARPA Subterranean Challenge (SubT), which realistically emulated a search for survivors mission in unknown underground environments. The requirement of a single operator forced competing teams to focus on the autonomy of their robots in order to ensure that the operator was not overloaded with micro-managing the movements of every robot. We present individual components that form a comprehensive system for reliable multi-robot fast exploration in GNSS-denied environments, where UAVs fulfill the role of swift scouts for initial information gathering to gain situation awareness in terrain that is often untraversable by robots with other locomotion modalities. The capability of quickly searching large volumes of subterranean areas by a cooperating team of UAVs was awarded second place in the Virtual Track of the DARPA SubT Final Event.The second half of the thesis focuses on state estimation, localization, and mapping.A major contribution and an integral part of our autonomous UAV flight is the MRS UAV System.The author of this thesis designed a multi-frame state estimation pipeline, which is a multi-modal and fault-tolerant approach that contributes to the exceptional resiliency of the whole system.The MRS UAV System is the basis of many research and industrial projects, as well as a platform for teaching robotic courses and the development of novel controllers.Further, we introduce a novel spatial representation for quick safety-aware planning, which enables collision-free flight in environments that are only a few centimeters larger than the size of UAV.Finally, we propose a novel state estimation scheme based on the fusion of UAV propeller speeds, which in contrast to state-of-the-art inertial-based methods, is robust to propeller-induced vibrations.