Kooperativní senzorické snímání skupinou bezpilotních letounů

Abstract

Výzkum na poli autonomnı́ch bezpilotnı́ch prostředků (UAV) se stal významným oborem mobilnı́ robotiky. Vı́cerotorové bezpilotnı́ helikoptéry jsou užitečné v mnoha úrovnı́ch výzkumu. Vı́cerotorové UAV sloužı́ jako systémy pro testovánı́ nových technik v oboru zpětnovazebnı́ho řı́zenı́ dynamických systémů, jako nosiče senzorů pro vzdálené měřenı́ a také jako součásti výzkumu multi-robotických systémů. Značné úsilı́ věnujeme výzkumu klı́čových sub-systémů fungovánı́ vı́cerotorových UAV. Systémy lokalizace, estimace stavu, modelovánı́, zpětnovazebnı́ řı́zenı́, plánovánı́ pohybu, a autonomnı́ navigace jsou již zavedené a aktivnı́mi poli výzkumu. Každé z nich přispı́vá k bezpečné a robustnı́ autonomii bezpilotnı́ch prostředků. Tato práce se zabývá vzdáleným měřenı́m pomocı́ autonomnı́ch bezpilotnı́ch systémů. Prvnı́ část práce je věnovaná vývoji nové řı́dicı́ platformy pro vı́cerotorové UAV, která byla navržena za účelem testovánı́ a vyhodnocovánı́ nových metod pro UAV v reálném prostředı́. Tento systém pro řı́zenı́ a odhadovánı́ stavů UAV umožňuje replikovatelný výzkum a poskytuje možnost realistických simulacı́ a testovánı́ na UAV v reálném prostředı́ mimo laboratoř. Druhá část této práce je motivována výzvami mezinárodnı́ch robotických soutěžı́ MBZIRC 2017 a 2020. Konkrétně zde představujeme aplikaci skupin autonomnı́ch UAV misı́ pro kolaborativnı́ sběr objektů a jejich dopravenı́ na zadaná mı́sta. Nejprve jsme se zabývali sběrem malých kovových disků, které byly pomocı́ UAV autonomně dopraveny do sběrného boxu. Poté byl tento úkol rozšı́řen na automatické stavěnı́ cihlové zdi pomocı́ skupiny UAV. Dále jsme se zabývali problémem zakončovánı́ autonomnı́ch misı́, konkrétně autonomnı́m přistánı́m UAV na jedoucı́m vozidle. Všechny tyto výzvy byly vyřešeny spolu s vývojem kompletnı́ch bezpilotnı́ch systémů a jejich experimentálnı́ evaluace, která byla završena výhrami v obou mezinárodnı́ch soutěžı́ch. Třetı́ část této práce se zaměřuje na specifický podobor vzdáleného měřenı́, a to na lokalizaci a mapovánı́ zdrojů ionizujı́cı́ho zářenı́ pomocı́ UAV. Probı́hajı́cı́ výzkum se zabývá využitı́m hybridnı́ch pixelových senzorů radiace z rodiny detektorů Timepix. V této práci zkoumáme využitı́ detektorů Timepix pro určovánı́ směrové a prostorové informace o kompaktnı́ch zdrojı́ch ionizujı́cı́ radiace.

The study of autonomous Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) has become a prominent sub-field of mobile robotics. Multirotor unmanned helicopters are systems useful on many levels of research. Multicopters in research serve as a plant for testing new techniques for feedback control of dynamical systems, as sensor carriers for remote sensing applications, and as units of multi-robot systems. A considerable amount of work is also being invested into research of principal sub-systems of multirotor UAVs. Real-time localization, state estimation, modeling, feedback control, planning, and navigation are well-established and active research fields, each contributing to making UAVs autonomous, robust, and safe. This thesis focuses on remote sensing with UAV systems. The first part of the thesis is dedicated to development of a novel UAV control system, designed for real-world testing and evaluation of new methods. The control and estimation system supports replicable research by allowing realistic simulations and real-world experiments. The second part of the thesis is motivated by the challenges of the MBZIRC 2017 and 2020 robotic competitions. Specifically, we study the applications of groups of UAVs to fulfill the autonomous mission of collaborative localization and gathering of objects and their delivery to desired locations. Initially, only small metal disc-shaped objects are gathered by the UAVs into a large box. Later, the challenge was elevated into a task of autonomous brick wall construction by a group of UAVs. Furthermore, we study the problem of concluding a UAV mission by autonomously landing a UAV on a moving ground vehicle. All the challenges were tackled by developing a complete UAV system and successfully performing an extensive experimental evaluation, that was finished by winning the international competitions. The third part of the thesis focuses on a specific remote sensing field, the localization and mapping of ionizing radiation by UAVs. The ongoing research investigates the use of hybrid pixel radiation sensors from the Timepix family onboard UAVs for directional and spatial localization of compact radiation sources.