Návrh, lokalizace a stabilizace specializované bezpilotní helikoptéry pro dokumentaci historických objektů

Abstract

Tato práce se zabývá návrhem, autonomní lokalizací a pozičním řízením specializované bezpilotní helikoptéry sloužící k dokumentaci historických památek bez přístupu ke globálnímu navigačnímu systému. Pro účely této práce byla navržena a kompletně vyrobena specializovaná letová platforma, plně respektující důležité nároky na bezpečnost její aplikace. Hlavním přínosem této práce je návrh a implementace aktivního lokalizačního systému za pomoci palubních senzorů a předem vygenerované mapy. Lokalizační přístup zpracovává globální odhad stavu helikoptéry založený na metodách Monte Carlo, lokálně zpřesněným pomocí algoritmu Iterative Closest Point, a inerciální měřící jednotce pomocí Kalmanova filtru. Lokalizační systém byl navržen, implementován, integrován do zpětné vazby pozičního řízení helikoptéry, a posouzen v simulaci i na reálných datech získaných při experimentech v reálném kostele. Tyto experimenty potvrzují schopnost systému přesně odhadovat, sledovat a řídit stav helikoptéry v reálném čase bez zásahů operátora.

This thesis deals with design, autonomous localization and position control of unmanned multirotor aircraft for deployment in large historical monuments without access to global navigation systems. A specialized aerial platform respecting significant safety requirements was designed and manufactured for applications of this work. The main focus of this thesis lies in design and implementation of an active self-localization system with onboard multimodal sensory setup and a priori generated map. For that, we employ fusion of a global Monte Carlo Localization state estimation with local refinement by Iterative Closest Point algorithm, and an inertial measurement unit by Kalman Filter. The localization system is derived, implemented, integrated into the aircraft position control feedback, and evaluated in simulation and on real data obtained from experiments, conducted in an interior of a physical church. These experiments verified capability of the system to accurately estimate and autonomously control state of the aircraft in real time.