Towards an autonomous vision-based unmanned aerial system againstwildlife poachers

Poaching is an illegal activity that remains out of control in many countries. Based on the 2014 report of the United Nations and Interpol, the illegal trade of global wildlife and natural resources amounts to nearly $213 billion every year, which is even helping to fund armed conflicts. Poaching activities around the world are further pushing many animal species on the brink of extinction. Unfortunately, the traditional methods to fight against poachers are not enough, hence the new demands for more efficient approaches. In this context, the use of new technologies on sensors and algorithms, as well as aerial platforms is crucial to face the high increase of poaching activities in the last few years. Our work is focused on the use of vision sensors on UAVs for the detection and tracking of animals and poachers, as well as the use of such sensors to control quadrotors during autonomous vehicle following and autonomous landing.Peer Reviewe

Low-cost RPAS navigation and guidance system using Square Root Unscented Kalman Filter

Multi-Sensor Data Fusion (MSDF) techniques involving satellite and inertial-based sensors are widely adopted to improve the navigation solution of a number of mission- and safety-critical tasks. Such integrated Navigation and Guidance Systems (NGS) currently do not meet the required level of performance in all flight phases of small Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS). In this paper an innovative Square Root-Unscented Kalman Filter (SR-UKF) based NGS is presented and compared with a conventional UKF governed design. The presented system architectures adopt state-of-the-art information fusion approach based on a number of low-cost sensors including; Global Navigation Satellite Systems (GNSS), Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) based Inertial Measurement Unit (IMU) and Vision Based Navigation (VBN) sensors. Additionally, an Aircraft Dynamics Model (ADM), which is essentially a knowledge based module, is employed to compensate for the MEMS-IMU sensor shortcomings in high-dynamics attitude determination tasks. The ADM acts as a virtual sensor and its measurements are processed with non-linear estimation in order to increase the operational validity time. An improvement in the ADM navigation state vector (i.e., position, velocity and attitude) measurements is obtained, thanks to the accurate modeling of aircraft dynamics and advanced processing techniques. An innovative SR-UKF based VBN-IMU-GNSS-ADM (SR-U-VIGA) architecture design was implemented and compared with a typical UKF design (U-VIGA) in a small RPAS (AEROSONDE) integration arrangement exploring a representative cross-section of the operational flight envelope. The comparison of position and attitude data shows that the SR-U-VIGA and U-VIGA NGS fulfill the relevant RNP criteria, including precision approach tasks

A multi-hypothesis approach for range-only simultaneous localization and mapping with aerial robots

Los sistemas de Range-only SLAM (o RO-SLAM) tienen como objetivo la construcción de un mapa formado por la posición de un conjunto de sensores de distancia y la localización simultánea del robot con respecto a dicho mapa, utilizando únicamente para ello medidas de distancia. Los sensores de distancia son dispositivos capaces de medir la distancia relativa entre cada par de dispositivos. Estos sensores son especialmente interesantes para su applicación a vehículos aéreos debido a su reducido tamaño y peso. Además, estos dispositivos son capaces de operar en interiores o zonas con carencia de señal GPS y no requieren de una línea de visión directa entre cada par de dispositivos a diferencia de otros sensores como cámaras o sensores laser, permitiendo así obtener una lectura de datos continuada sin oclusiones. Sin embargo, estos sensores presentan un modelo de observación no lineal con una deficiencia de rango debido a la carencia de información de orientación relativa entre cada par de sensores. Además, cuando se incrementa la dimensionalidad del problema de 2D a 3D para su aplicación a vehículos aéreos, el número de variables ocultas del modelo aumenta haciendo el problema más costoso computacionalmente especialmente ante implementaciones multi-hipótesis. Esta tesis estudia y propone diferentes métodos que permitan la aplicación eficiente de estos sistemas RO-SLAM con vehículos terrestres o aéreos en entornos reales. Para ello se estudia la escalabilidad del sistema en relación al número de variables ocultas y el número de dispositivos a posicionar en el mapa. A diferencia de otros métodos descritos en la literatura de RO-SLAM, los algoritmos propuestos en esta tesis tienen en cuenta las correlaciones existentes entre cada par de dispositivos especialmente para la integración de medidas estÃa˛ticas entre pares de sensores del mapa. Además, esta tesis estudia el ruido y las medidas espúreas que puedan generar los sensores de distancia para mejorar la robustez de los algoritmos propuestos con técnicas de detección y filtración. También se proponen métodos de integración de medidas de otros sensores como cámaras, altímetros o GPS para refinar las estimaciones realizadas por el sistema RO-SLAM. Otros capítulos estudian y proponen técnicas para la integración de los algoritmos RO-SLAM presentados a sistemas con múltiples robots, así como el uso de técnicas de percepción activa que permitan reducir la incertidumbre del sistema ante trayectorias con carencia de trilateración entre el robot y los sensores de destancia estáticos del mapa. Todos los métodos propuestos han sido validados mediante simulaciones y experimentos con sistemas reales detallados en esta tesis. Además, todos los sistemas software implementados, así como los conjuntos de datos registrados durante la experimentación han sido publicados y documentados para su uso en la comunidad científica

Decentralized High Level Controller for Formation Flight Control of UAVs

International audienceThe main contribution of this paper is the design of a decentralized and tuning-less high level controller able to maintain without tracking errors a Leader-Follower (LF) configuration in case of lack or degraded communications (latencies, loss…) between the leader and followers UAVs. The high level controller only requires simple tunings and rests on a predictive filtering algorithm and a first order dynamic model to recover an estimation of the leader UAV velocities and avoid the tracking errors