Simulation analysis of UAV autonomous landing system based on TECs

Aiming at the decoupling control problem of velocity and altitude in the process of unmanned aerial vehicles (UAV) autonomous landing under visual guidance, this paper establishes the fl ight control model of fi xed wing UAV, and deduces the coupling relationship between airspeed and altitude in the process of UAV glide, The total energy control system (TECs) is used for decoupling control to realize the autonomous fi xed-point landing of UAV. The simulation results show that the designed control law can decouple the airspeed and altitude of the UAV, so that the UAV can land at the predetermined place autonomously and accurately

Обоснование выбора источников излучения для системы технического зрения в задаче автоматической посадки беспилотных летательных аппаратов

Обоснован целесообразный спектральный диапазон источников излучения для применения в автоматической системе посадки беспилотных летательных аппаратов. Предложен способ синхронизации фотоэкспозиции системы технического зрения и излучения ориентиров для однозначного определения их взаимного расположения. Приведены результаты экспериментальных исследований

ASSESSMENT OF ELECTRO-OPTICAL IMAGING TECHNOLOGY FOR UNMANNED AERIAL SYSTEM NAVIGATION IN A GPS-DENIED ENVIRONMENT

Navigation systems of unmanned aircraft systems (UAS) are heavily dependent on the availability of Global Positioning Systems (GPS) or other Global Navigation Satellite Systems (GNSS). Although inertial navigation systems (INS) can provide position and velocity of an aircraft based on acceleration measurements, the information degrades over time and reduces the capability of the system. In a GPS-denied environment, a UAS must utilize alternative sensor sources for navigating. This thesis presents preliminary evaluation results on the usage of onboard down-looking electro-optical sensors and image matching techniques to assist in GPS-free navigation of aerial platforms. Following the presentation of the fundamental mathematics behind the proposed concept, the thesis analyzes the key results from three flight campaign experiments that use different sets of sensors to collect data. Each of the flight experiments explores different sensor setups, assesses a variety of image processing methods, looks at different terrain environments, and reveals limitations related to the proposed approach. In addition, an attempt to incorporate navigational aid solutions into a navigation system using a Kalman filter is demonstrated. The thesis concludes with recommendations for future research on developing an integrated navigation system that relies on inertial measurement unit data complemented by the positional fixes from the image-matching technique.Outstanding ThesisCivilian, DSO National Laboratories, SingaporeApproved for public release. Distribution is unlimited

Лазерна курсоглісадна система посадки літака

Робота публікується згідно наказу ректора від 27.05.2021 р. №311/од "Про розміщення кваліфікаційних робіт вищої освіти в репозиторії НАУ". Керівник дипломної роботи: к.т.н.,доцент кафедри авіоніки, Слободян Олександр ПетровичНавігаційні польоти сучасних літальних апаратів забезпечуються радіотехнічними та космічними засобами. Проте, їхня безпека пов'язана саме зі світлосигнальним обладнанням, що і визначає його інтенсивний розвиток та вдосконалення за рахунок використання сучасних електронних приладів.Поряд із широким вибором сучасних систем в авіабудуванні в останні роки використовуються лазерні та телевізійні системи, що дозволяють бачити пілоту злітно-посадочну смугу (ЗПС) в умовах обмеженої видимості, а також пристрої, що виводять інформацію з приладів на лобове скло кабіни, на якому відображається, незважаючи на погану видимість, світлосигнальна картина аеродрому, тощо. Голографічний індикатор посадки створює перед льотчиком у кабіні тривимірне зображення аеродрому з ЗПС відповідно до фактичного положення літального апарату щодо ЗПС в даний момент часу. Для нормальної роботи пілотів необхідно, щоб світлосигнальні пристрої створювали достатньо інформативні та сприятливі зовнішні умови (без дискомфорту, з достатнім рівнем освітленості), потрібну кольоровість та переривчастість світлового сигналу. Грунтуючись на вже розроблених положеннях теорії радіолокації, лазерна локація, у свою чергу, стимулювала розвиток нових важливих наукових напрямів, які зробили суттєвий внесок у загальну проблему лідарних систем. У перших роботах, присвячених прийому лазерних сигналів, було показано, що з обробки останніх необхідно синтезувати нові методи та алгоритми. Цей висновок став наслідком кількох причин. Перша, якій одразу було приділено особливу увагу, полягає у значно меншій довжині хвилі зондувального сигналу порівняно з радіолокаційним. Наслідком цього є те, що в процесі прийому значною мірою починають проявлятися ефекти, зумовлені квантовою природою електромагнітних хвиль. Для дослідження та кількісного опису цих ефектів були використані загальні принципи квантової електроніки. З цих позицій було розроблено моделі лазерних локаційних сигналів та проаналізовано вплив квантових ефектів на процес їх реєстрації

Лазерна курсоглісадна система посадки літака

Робота публікується згідно наказу ректора від 27.05.2021 р. №311/од "Про розміщення кваліфікаційних робіт вищої освіти в репозиторії НАУ". Керівник дипломної роботи: к.т.н.,доцент кафедри авіоніки, Слободян Олександр ПетровичНавігаційні польоти сучасних літальних апаратів забезпечуються радіотехнічними та космічними засобами. Проте, їхня безпека пов'язана саме зі світлосигнальним обладнанням, що і визначає його інтенсивний розвиток та вдосконалення за рахунок використання сучасних електронних приладів.Поряд із широким вибором сучасних систем в авіабудуванні в останні роки використовуються лазерні та телевізійні системи, що дозволяють бачити пілоту злітно-посадочну смугу (ЗПС) в умовах обмеженої видимості, а також пристрої, що виводять інформацію з приладів на лобове скло кабіни, на якому відображається, незважаючи на погану видимість, світлосигнальна картина аеродрому, тощо. Голографічний індикатор посадки створює перед льотчиком у кабіні тривимірне зображення аеродрому з ЗПС відповідно до фактичного положення літального апарату щодо ЗПС в даний момент часу. Для нормальної роботи пілотів необхідно, щоб світлосигнальні пристрої створювали достатньо інформативні та сприятливі зовнішні умови (без дискомфорту, з достатнім рівнем освітленості), потрібну кольоровість та переривчастість світлового сигналу. Грунтуючись на вже розроблених положеннях теорії радіолокації, лазерна локація, у свою чергу, стимулювала розвиток нових важливих наукових напрямів, які зробили суттєвий внесок у загальну проблему лідарних систем. У перших роботах, присвячених прийому лазерних сигналів, було показано, що з обробки останніх необхідно синтезувати нові методи та алгоритми. Цей висновок став наслідком кількох причин. Перша, якій одразу було приділено особливу увагу, полягає у значно меншій довжині хвилі зондувального сигналу порівняно з радіолокаційним. Наслідком цього є те, що в процесі прийому значною мірою починають проявлятися ефекти, зумовлені квантовою природою електромагнітних хвиль. Для дослідження та кількісного опису цих ефектів були використані загальні принципи квантової електроніки. З цих позицій було розроблено моделі лазерних локаційних сигналів та проаналізовано вплив квантових ефектів на процес їх реєстрації

Autonomous Drone Landings on an Unmanned Marine Vehicle using Deep Reinforcement Learning

This thesis describes with the integration of an Unmanned Surface Vehicle (USV) and an Unmanned Aerial Vehicle (UAV, also commonly known as drone) in a single Multi-Agent System (MAS). In marine robotics, the advantage offered by a MAS consists of exploiting the key features of a single robot to compensate for the shortcomings in the other. In this way, a USV can serve as the landing platform to alleviate the need for a UAV to be airborne for long periods time, whilst the latter can increase the overall environmental awareness thanks to the possibility to cover large portions of the prevailing environment with a camera (or more than one) mounted on it. There are numerous potential applications in which this system can be used, such as deployment in search and rescue missions, water and coastal monitoring, and reconnaissance and force protection, to name but a few. The theory developed is of a general nature. The landing manoeuvre has been accomplished mainly identifying, through artificial vision techniques, a fiducial marker placed on a flat surface serving as a landing platform. The raison d'etre for the thesis was to propose a new solution for autonomous landing that relies solely on onboard sensors and with minimum or no communications between the vehicles. To this end, initial work solved the problem while using only data from the cameras mounted on the in-flight drone. In the situation in which the tracking of the marker is interrupted, the current position of the USV is estimated and integrated into the control commands. The limitations of classic control theory used in this approached suggested the need for a new solution that empowered the flexibility of intelligent methods, such as fuzzy logic or artificial neural networks. The recent achievements obtained by deep reinforcement learning (DRL) techniques in end-to-end control in playing the Atari video-games suite represented a fascinating while challenging new way to see and address the landing problem. Therefore, novel architectures were designed for approximating the action-value function of a Q-learning algorithm and used to map raw input observation to high-level navigation actions. In this way, the UAV learnt how to land from high latitude without any human supervision, using only low-resolution grey-scale images and with a level of accuracy and robustness. Both the approaches have been implemented on a simulated test-bed based on Gazebo simulator and the model of the Parrot AR-Drone. The solution based on DRL was further verified experimentally using the Parrot Bebop 2 in a series of trials. The outcomes demonstrate that both these innovative methods are both feasible and practicable, not only in an outdoor marine scenario but also in indoor ones as well

Sistema de visão para aterragem automática de UAV

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Automação e Electrónica IndustrialNeste estudo é proposto um sistema de visão para aterrar automaticamente um avião não tripulado (Unmanned Aerial Vehicle - UAV) comercialmente existente chamado AR4 num navio, sendo este sistema composto por uma simples câmara RGB (espectro visível). A aplicação prevê a sua colocação no convés de um navio para estimar a pose do UAV (posição 3D e orientação) durante o processo de aterragem. Ao utilizar um sistema de visão localizado no navio permite a utilização de um UAV com menos poder de processamento, reduzindo assim o seu tamanho e peso. O método proposto utiliza uma abordagem baseada no modelo 3D do objeto em que é necessária a utilização do modelo CAD 3D do UAV. A pose é estimada utilizando uma arquitetura baseada num filtro de partículas. A implementação utilizada é baseada nas estratégias de evolução presentes nos algoritmos genéticos, evitando assim perda de diversidade nas possibilidades criadas. Também é implementada filtragem temporal entre frames - filtro de Kalman unscented - por forma a obter uma melhor estimativa de pose. Os resultados mostram erros angulares e de posição compatíveis com o sistema de aterragem automática. O algoritmo é apropriado para aplicações em tempo real em standard workstations, com unidades de processamento gráfico. O UAV vai operar de um navio patrulha pertencente à Marinha de Guerra Portuguesa, o que implica a capacidade de aterrar num navio de 27 metros de comprimento, 5,9 metros de boca, com uma zona de aterragem pequena e irregular de 5x6 metros localizada na proa do navio. A implementação de um sistema completamente autónomo é muito importante em cenários reais, uma vez que estes navios têm uma guarnição limitada e os pilotos de UAV nem sempre se encontram disponíveis. Além disso, um sistema de visão é mais robusto em ambientes onde pode ocorrer empastelamento ao sinal GPS.Abstract: In this study a vision system for autonomous landing of an existing commercial aerial vehicle (UAV) named AR4 aboard a ship, based on a single standard RGB digital camera is proposed. The envisaged application is of ground-based automatic landing, where the vision system is located on the ship’s deck and is used to estimate the UAV pose (3D position and orientation) during the landing process. Using a vision system located on the ship makes it possible to use an UAV with less processing power, decreasing its size and weight. The proposed method uses a 3D model based pose estimation approach that requires the 3D CAD model of the UAV. Pose is estimated using a particle filtering framework. The implemented particle filter is inspired in the evolution strategies present in the genetic algorithms avoiding sample impoverishment. Temporal filtering is also implemented between frames – unscented Kalman filter – in order to get a better pose estimation. Results show that position and angular errors are compatible with automatic landing system requirements. The algorithm is suitable for real time implementation in standard workstations with graphical processing units. The UAV will operate from the Portuguese Navy fast patrol boats (FPB), which implies the capability of landing in 27 m length, 5.9 m breadth vessels, with a 5x6 m small and irregular landing zone located at the boat´s stern. The implementation of a completely autonomous system is very important in real scenarios,since this ships have only a small crew and UAV pilots are not usually available. Moreover a vision based system is more robust in an environment where GPS jamming can occur