Distributed Architecture for the Cooperation of Multiple Unmanned Aerial Vehicles in Civil Applications.
Iván Maza Alcañiz · Dialnet (Universidad de la Rioja) · 2013
La robotica aerea tiene un gran potencial para la realizacion de tareas como la adquisicion de datos e imagenes en areas inaccesibles por medios terrestres. Por otro lado, la complejidad de ciertas aplicaciones requiere la cooperacion entre vario ... s robots, debido a la necesidad de intervenir simultaneamente en distintas localizaciones, a la extension espacial de la tarea a realizar o a las limitaciones de carga de los robots. Incluso en casos en los que la cooperacion no es estrictamente necesaria, esta puede ser empleada para incrementar la robustez de aplicaciones como deteccion y localizacion. Esta tesis presenta una arquitectura distribuida para la coordinacion y cooperacion autonoma de multiples vehiculos aereos no tripulados (Unmanned Aerial Vehicles -UAVs- en ingles). La arquitectura esta compuesta por diferentes modulos que resuelven los problemas habituales que surgen durante la ejecucion de misiones multiproposito, tales como la descomposicion de tareas complejas, la asignacion de tareas, la deteccion y resolucion de conflictos, etc. Uno de los principales objetivos en el diseno de la arquitectura ha sido imponer pocos requisitos a las capacidades ejecutivas de los vehiculos autonomos que se quisieran integrar en la plataforma. Basicamente, esos vehiculos deberian ser capaces de moverse a una determinada localizacion y activar su carga util cuando fuera requerido. De esta manera, es posible integrar vehiculos de diferentes fabricantes y grupos de investigacion en la arquitectura desarrollada, permitiendo su uso en muchas aplicaciones multi-UAV. En relacion a los modulos desarrollados en la arquitectura interna de cada UAV cabe mencionar que el trabajo se ha focalizado principalmente en los modulos encargados de las siguientes funciones: Descomposicion de tareas complejas en tareas elementales ejecutables por el UAV directamente (Capitulo 4). Se han desarrollado algoritmos que permiten descomponer distintos tipos de tareas, tales como la vigilancia de una zona o la monitorizacion de un objeto. Asignacion de tareas de manera distribuida (Capitulo 5). Una vez definida la mision a ejecutar por el equipo de UAVs, es necesario decidir que UAV va a ejecutar cada tarea. Se han desarrollado tres algoritmos para la asignacion distribuida de tareas, que han sido probados en simulacion y con la plataforma real. Deteccion y resolucion de conflictos (Capitulo 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 mas criticos aparece cuando los UAVs comparten un mismo espacio aereo y sus trayectorias se solapan en espacio y tiempo. Por tanto, se han desarrollado metodos distribuidos para la deteccion y resolucion de conflictos entre las trayectorias de los diferentes UAVs. La implementacion distribuida de la arquitectura ofrece mas robustez y escalabilidad en comparacion con una solucion centralizada, pero presenta retos significativos relacionados con la naturaleza asincrona de los posibles eventos y mensajes intercambiados. Se ha llevado a cabo la implementacion software tanto de la arquitectura multi-UAV como de la interfaz persona-maquina (Human Machine Interface -HMI- en ingles) de la plataforma. Esta ultima aplicacion ha sido disenada teniendo en cuenta las capacidades autonomas de la plataforma. Esta tesis tambien presenta las caracteristicas de la interfaz persona-maquina junto con los resultados de un estudio que analiza los beneficios de aplicar multiples modalidades sensoriales en dicha interfaz. Dichas implementaciones software han sido probadas en simulacion y finalmente validada en experimentos de campo con cuatro helicopteros autonomos en el marco del Proyecto AWARE financiado por la Comision Europea. El proceso de validacion se llevo a cabo en las instalaciones de la empresa Protec-Fire (grupo Iturri) en Utrera (Espana) e incluyo varias misiones multi-UAV para aplicaciones civiles en un entorno urbano simulado: Vigilancia con multiples UAVs. Confirmacion, monitorizacion y extincion de incendios. Transporte y despliegue de cargas con uno y varios UAVs. Seguimiento de personas. La validacion incluyo una demostracion del sistema a los revisores de la Comision Europea del proyecto AWARE, asi como a otros invitados de empresas y usuarios finales.