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Publicação
Target tracking control system for multi-UAV maritime applications
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
A importância das aplicações de aeronaves não tripuladas tem sido cada vez mais evidente com o passar dos anos. Enquanto que muita investigação já foi feita no passado, ainda há muitas aéreas de desenvolvimento, tópicos e aplicações por explorar e revelar. O Centro de Investigação da Academia da Força Aérea (CIAFA) tem vindo a desenvolver uma nova arquitetura modular de controlo de aeronaves não tripuladas que permite a re-utilização de módulos de controlo de trajetória, visão computacional, aprendizagem automática e fusão de dados sensoriais aplicáveis a um espetro alargado de missões, que inclui, entre outros, aterragem automática ou seguimento de alvos
terrestres com base em visão computacional.
Esta tese contribui para a implementação formal de uma arquitetura de comando e controlo, a ser utilizada em missões de busca e seguimento de alvos em contexto marítimo. Essa arquitetura foi idealizada em Santos (2021), recorrendo a 3 modos de operação principais: modo de busca, modo de seguimento e modo de anticolisão.
Em particular, esta tese contribui para a implementação do modo de seguimento dessa arquitetura de controlo, dentro do mesmo cenário de aplicação, considerando o caso em que o alvo, após a sua deteção durante o modo de busca, dever´a ser seguido de forma colaborativa. A implementação do modo de seguimento teve como foco o desenvolvimento de um controlador que permite a um conjunto de aeronaves seguir um caminho circular, centrado em torno de um alvo e que se move solidário com este, usando o método de Moving Path Following (MPF) (Oliveira, Aguiar e Encarnação (2016) e Jain (2019)).
Numa primeira fase, a arquitetura de controlo proposta é validada através de simulações numéricas, considerando um modelo do tipo uniciclo para as aeronaves e alvo simulado. Em seguida, adota-se uma abordagem mais realista, usando simulações com software no loop, considerando um modelo de fonte aberta para a dinâmica das aeronaves consideradas. Nesta fase são desenvolvidos módulos de software específicos para o sistema de controlo considerado nesta tese, usando uma arquitetura com base em Python, ROS, PX4 e Gazebo. Finalmente, depois de implementadas e validadas estas simulações, uma nova capacidade é acrescentada: um algoritmo de deteção de
alvos com base em visão computacional para estimar dados sobre o alvo, baseado nas imagens obtidas por uma das câmaras montadas numa das aeronaves não tripuladas, usando o módulo de deteção automática desenvolvido por Alves, Oliveira, Cruz e Silva (2022). Esta simulação permite fechar o sistema de controlo implementado usando um sistema de vis˜ao computacional.
Os resultados obtidos demonstram a eficácia do método proposto, num contexto de simulação computacional realista, que permite uma transição expedita para os ensaios em voo.
to unveil and explore. The Air Force Academy Research Center (CIAFA) is working on a new modular control architecture for UAVs that allows for the reutilization of several modules such as trajectory control, computer vision, automatic learning and sensory data fusion, applied to a large spectrum of missions, which includes automatic landing or terrestrial target tracking based on computer vision. This thesis contributes to the formal implementation of a command and control architecture, to be used in search and target tracking missions in a maritime environment. The architecture was idealized in Santos (2021), using three main operating modes: search mode, target tracking mode and collision avoidance mode. Specifically, this dissertation contributes to the implementation of the target tracking mode of that architecture, in the same application scenario, considering that after detecting the target, this should be followed in a collaborative way. The main focus of this target tracking mode implementation is a controller that allows for a group of aircrafts to follow a circular path centered at the target coordinates and moves together with it, using the Moving Path Following (MPF) method (Oliveira, Aguiar, and Encarnação (2016) and Jain (2019)). In a first phase, the proposed control architecture is validated through numerical simulations, considering kinematic unicycle type model for the aircrafts and a simulated target. Next, a more realistic approach is adopted, with software in the loop simulations, using an open source model for the considered aircrafts dynamics. In this phase, specific software modules are developed for the considered control system, using an architecture based on Python, ROS, PX4 and Gazebo. Finally, after the implementation and validation of this simulations, a new feature is added: a target detection algorithm based on the received data from one of the UAVs onboard cameras to estimate the target’s position and velocity, using an automatic detection module developed in Alves et al. (2022). This simulation closes the implemented multi-UAV control loop system using a computer vision algorithm. The obtained results show the efficiency of the proposed method in a realistic computational simulation context, which allows for a quick transition to eventual flight tests.
to unveil and explore. The Air Force Academy Research Center (CIAFA) is working on a new modular control architecture for UAVs that allows for the reutilization of several modules such as trajectory control, computer vision, automatic learning and sensory data fusion, applied to a large spectrum of missions, which includes automatic landing or terrestrial target tracking based on computer vision. This thesis contributes to the formal implementation of a command and control architecture, to be used in search and target tracking missions in a maritime environment. The architecture was idealized in Santos (2021), using three main operating modes: search mode, target tracking mode and collision avoidance mode. Specifically, this dissertation contributes to the implementation of the target tracking mode of that architecture, in the same application scenario, considering that after detecting the target, this should be followed in a collaborative way. The main focus of this target tracking mode implementation is a controller that allows for a group of aircrafts to follow a circular path centered at the target coordinates and moves together with it, using the Moving Path Following (MPF) method (Oliveira, Aguiar, and Encarnação (2016) and Jain (2019)). In a first phase, the proposed control architecture is validated through numerical simulations, considering kinematic unicycle type model for the aircrafts and a simulated target. Next, a more realistic approach is adopted, with software in the loop simulations, using an open source model for the considered aircrafts dynamics. In this phase, specific software modules are developed for the considered control system, using an architecture based on Python, ROS, PX4 and Gazebo. Finally, after the implementation and validation of this simulations, a new feature is added: a target detection algorithm based on the received data from one of the UAVs onboard cameras to estimate the target’s position and velocity, using an automatic detection module developed in Alves et al. (2022). This simulation closes the implemented multi-UAV control loop system using a computer vision algorithm. The obtained results show the efficiency of the proposed method in a realistic computational simulation context, which allows for a quick transition to eventual flight tests.
Descrição
Autor: Miguel Guedes Félix; ALF/ENGEL 139928-EThesis to obtain the Master of Science Degree in
Military and Aeronautical Sciences - Electrotechnical Engineering
Supervisor(s): Major Tiago Miguel Monteiro de Oliveira; Capitão Diogo Alexandre Oliveira Silva
Examination Committee
Chairperson: Major-General Rui Fernando da Costa Ferreira
Supervisor: Major Tiago Miguel Monteiro de Oliveira
Member of the Committee: Professor Doutor Pedro Tiago Martins Batista
Palavras-chave
Controlo não linear Coordenação de voo Seguimento de caminho em movimento UAVs UAV Flight coordination Moving path following Non-linear control
Contexto Educativo
Citação
Félix, M. G. (2022). Target tracking control system for multi-UAV maritime applications. (Master’s Dissertation in Military and Aeronautical Sciences - specialization in Electrotechnical Engineering). Air Force Academy (AFA), Sintra.
Editora
Academia da Força Aérea