Distributed architecture for the cooperation of multiple unmanned aerial vehicles in civil applications

• Autores: Iván Maza Alcañiz
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2010
• Idioma: inglés
• ISBN: 9788469358672
• Tribunal Calificador de la Tesis: Alfonso José García Cerezo (presid.), Ángel Rodríguez Castaño (secret.), Alberto Sanfeliu Cortés (voc.), Konstantin Kondak (voc.), José Ramiro Martínez de Dios (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • La robótica aérea tiene un gran potencial para la realización de tareas como la adquisición de datos e imágenes en áreas inaccesibles por medios terrestres. Por otro lado, la complejidad de ciertas aplicaciones requiere la cooperación entre vario ... s robots, debido a la necesidad de intervenir simultáneamente en distintas localizaciones, a la extensión espacial de la tarea a realizar o a las limitaciones de carga de los robots. Incluso en casos en los que la cooperación no es estrictamente necesaria, ésta puede ser empleada para incrementar la robustez de aplicaciones como detección y localización. Esta tesis presenta una arquitectura distribuida para la coordinación y cooperación autónoma de múltiples vehículos aéreos no tripulados (Unmanned Aerial Vehicles -UAVs- en ingles). La arquitectura está compuesta por diferentes módulos que resuelven los problemas habituales que surgen durante la ejecución de misiones multipropósito, tales como la descomposición de tareas complejas, la asignación de tareas, la detección y resolución de conflictos, etc. Uno de los principales objetivos en el diseño de la arquitectura ha sido imponer pocos requisitos a las capacidades ejecutivas de los vehículos autónomos que se quisieran integrar en la plataforma. Básicamente, esos vehículos deberían ser capaces de moverse a una determinada localización y activar su carga útil cuando fuera requerido. De esta manera, es posible integrar vehículos de diferentes fabricantes y grupos de investigación en la arquitectura desarrollada, permitiendo su uso en muchas aplicaciones multi-UAV. En relación a los módulos desarrollados en la arquitectura interna de cada UAV cabe mencionar que el trabajo se ha focalizado principalmente en los módulos encargados de las siguientes funciones: Descomposición de tareas complejas en tareas elementales ejecutables por el UAV directamente (Capítulo 4). Se han desarrollado algoritmos que permiten descomponer distintos tipos de tareas, tales como la vigilancia de una zona o la monitorización de un objeto. Asignación de tareas de manera distribuida (Capítulo 5). Una vez definida la misión a ejecutar por el equipo de UAVs, es necesario decidir qué UAV va a ejecutar cada tarea. Se han desarrollado tres algoritmos para la asignación distribuida de tareas, que han sido probados en simulación y con la plataforma real. Detección y resolución de conflictos (Capítulo 6). Una vez que cada UAV tiene un plan elaborado compuesto por tareas elementales, es necesario detectar si hay conflictos con los planes de otros miembros del equipo. Uno de los conflictos más críticos aparece cuando los UAVs comparten un mismo espacio aéreo y sus trayectorias se solapan en espacio y tiempo. Por tanto, se han desarrollado métodos distribuidos para la detección y resolución de conflictos entre las trayectorias de los diferentes UAVs. La implementación distribuida de la arquitectura ofrece más robustez y escalabilidad en comparación con una solución centralizada, pero presenta retos significativos relacionados con la naturaleza asíncrona de los posibles eventos y mensajes intercambiados. Se ha llevado a cabo la implementación software tanto de la arquitectura multi-UAV como de la interfaz persona-máquina (Human Machine Interface -HMI- en inglés) de la plataforma. Esta última aplicación ha sido diseñada teniendo en cuenta las capacidades autónomas de la plataforma. Esta tesis también presenta las características de la interfaz persona-máquina junto con los resultados de un estudio que analiza los beneficios de aplicar múltiples modalidades sensoriales en dicha interfaz. Dichas implementaciones software han sido probadas en simulación y finalmente validada en experimentos de campo con cuatro helicópteros autónomos en el marco del Proyecto AWARE financiado por la Comisión Europea. El proceso de validación se llevo a cabo en las instalaciones de la empresa Protec-Fire (grupo Iturri) en Utrera (España) e incluyó varias misiones multi-UAV para aplicaciones civiles en un entorno urbano simulado: Vigilancia con múltiples UAVs. Confirmación, monitorización y extinción de incendios. Transporte y despliegue de cargas con uno y varios UAVs. Seguimiento de personas. La validación incluyó una demostración del sistema a los revisores de la Comisión Europea del proyecto AWARE, así como a otros invitados de empresas y usuarios finales.