Long Distance GNSS-Denied Visual Inertial Navigation for Autonomous Fixed Wing Unmanned Air Vehicles: SO(3) Manifold Filter based on Virtual Vision Sensor

This article proposes a visual inertial navigation algorithm intended to diminish the horizontal position drift experienced by autonomous fixed wing UAVs (Unmanned Air Vehicles) in the absence of GNSS (Global Navigation Satellite System) signals. In addition to accelerometers, gyroscopes, and magnetometers, the proposed navigation filter relies on the accurate incremental displacement outputs generated by a VO (Visual Odometry) system, denoted here as a Virtual Vision Sensor or VVS, which relies on images of the Earth surface taken by an onboard camera and is itself assisted by the filter inertial estimations. Although not a full replacement for a GNSS receiver since its position observations are relative instead of absolute, the proposed system enables major reductions in the GNSS-Denied attitude and position estimation errors. In order to minimize the accumulation of errors in the absence of absolute observations, the filter is implemented in the manifold of rigid body rotations or SO (3). Stochastic high fidelity simulations of two representative scenarios involving the loss of GNSS signals are employed to evaluate the results. The authors release the C++ implementation of both the visual inertial navigation filter and the high fidelity simulation as open-source software.Comment: 27 pages, 14 figures. arXiv admin note: substantial text overlap with arXiv:2205.1324

Improving the Robustness of Monocular Vision-Aided Navigation for Multirotors through Integrated Estimation and Guidance

Multirotors could be used to autonomously perform tasks in search-and-rescue, reconnaissance, or infrastructure-monitoring applications. In these environments, the vehicle may have limited or degraded GPS access. Researchers have investigated methods for simultaneous localization and mapping (SLAM) using on-board vision sensors, allowing vehicles to navigate in GPS-denied environments. In particular, SLAM solutions based on a monocular camera offer low-cost, low-weight, and accurate navigation indoors and outdoors without explicit range limitations. However, a monocular camera is a bearing-only sensor. Additional sensors are required to achieve metric pose estimation, and the structure of a scene can only be recovered through camera motion. Because of these challenges, the performance of monocular-based navigation solutions is typically very sensitive to the environment and the vehicle’s trajectory. This work proposes an integrated estimation and guidance approach for improving the robustness of monocular SLAM to environmental uncertainty. It is specifically intended for a multirotor carrying a monocular camera, downward-facing rangefinder, and inertial measurement unit (IMU). A guidance maneuver is proposed that takes advantage of the metric rangefinder measurements. When the environmental uncertainty is high, the vehicle simply moves up and down, initializing features with a confident and accurate baseline. In order to demonstrate this technique, a vision-aided navigation solution is implemented which includes a unique approach to feature covariance initialization that is based on consider least squares. Features are only initialized if there is enough information to accurately triangulate their position, providing an indirect metric of environmental uncertainty that could be used to signal the guidance maneuver. The navigation filter is validated using hardware and simulated data. Finally, simulations show that the proposed initialization maneuver is a simple, practical, and effective way to improve the robustness of monocular-vision-aided-navigation and could increase the amount of autonomy that GPS-denied multirotors are capable of achieving

On-board Obstacle Avoidance in the Teleoperation of Unmanned Aerial Vehicles

Teleoperation von Drohnen in Umgebungen ohne GPS-Verbindung und wenig Bewegungsspielraum stellt den Operator vor besondere Herausforderungen. Hindernisse in einer unbekannten Umgebung erfordern eine zuverlässige Zustandsschätzung und Algorithmen zur Vermeidung von Kollisionen. In dieser Dissertation präsentieren wir ein System zur kollisionsfreien Navigation einer ferngesteuerten Drohne mit vier Propellern (Quadcopter) in abgeschlossenen Räumen. Die Plattform ist mit einem Miniaturcomputer und dem Minimum an Sensoren ausgestattet. Diese Ausstattung genügt den Anforderungen an die Rechenleistung. Dieses Setup ermöglicht des Weiteren eine hochgenaue Zustandsschätzung mit Hilfe einer Kaskaden-Architektur, sehr gutes Folgeverhalten bezüglich der kommandierten Geschwindigkeit, sowie eine kollisionsfreie Navigation. Ein Komplementärfilter berechnet die Höhe der Drohne, während ein Kalman-Filter Beschleunigung durch eine IMU und Messungen eines Optical-Flow Sensors fusioniert und in die Softwarearchitektur integriert. Eine RGB-D Kamera stellt dem Operator ein visuelles Feedback, sowie Distanzmessungen zur Verfügung, um ein Roboter-zentriertes Modell umliegender Hindernisse mit Hilfe eines Bin-Occupancy-Filters zu erstellen. Der Algorithmus speichert die Position dieser Hindernisse, auch wenn sie das Sehfeld des Sensors verlassen, mit Hilfe des geschätzten Zustandes des Roboters. Das Prinzip des Ausweich-Algorithmus basiert auf dem Ansatz einer modell-prädiktiven Regelung. Durch Vorhersage der wahrscheinlichen Position eines Hindernisses werden die durch den Operator kommandierten Sollwerte gefiltert, um eine mögliche Kollision mit einem Hindernis zu vermeiden. Die Plattform wurde experimentell sowohl in einer räumlich abgeschlossenen Umgebung mit zahlreichen Hindernissen als auch bei Testflügen in offener Umgebung mit natürlichen Hindernissen wie z.B. Bäume getestet. Fliegende Roboter bergen das Risiko, im Fall eines Fehlers, sei es ein Bedienungs- oder Berechnungsfehler, durch einen Aufprall am Boden oder an Hindernissen Schaden zu nehmen. Aus diesem Grund nimmt die Entwicklung von Algorithmen dieser Roboter ein hohes Maß an Zeit und Ressourcen in Anspruch. In dieser Arbeit präsentieren wir zwei Methoden (Software-in-the-loop- und Hardware-in-the-loop-Simulation) um den Entwicklungsprozess zu vereinfachen. Via Software-in-the-loop-Simulation konnte der Zustandsschätzer mit Hilfe simulierter Sensoren und zuvor aufgenommener Datensätze verbessert werden. Eine Hardware-in-the-loop Simulation ermöglichte uns, den Roboter in Gazebo (ein bekannter frei verfügbarer ROS-Simulator) mit zusätzlicher auf dem Roboter installierter Hardware in Simulation zu bewegen. Ebenso können wir damit die Echtzeitfähigkeit der Algorithmen direkt auf der Hardware validieren und verifizieren. Zu guter Letzt analysierten wir den Einfluss der Roboterbewegung auf das visuelle Feedback des Operators. Obwohl einige Drohnen die Möglichkeit einer mechanischen Stabilisierung der Kamera besitzen, können unsere Drohnen aufgrund von Gewichtsbeschränkungen nicht auf diese Unterstützung zurückgreifen. Eine Fixierung der Kamera verursacht, während der Roboter sich bewegt, oft unstetige Bewegungen des Bildes und beeinträchtigt damit negativ die Manövrierbarkeit des Roboters. Viele wissenschaftliche Arbeiten beschäftigen sich mit der Lösung dieses Problems durch Feature-Tracking. Damit kann die Bewegung der Kamera rekonstruiert und das Videosignal stabilisiert werden. Wir zeigen, dass diese Methode stark vereinfacht werden kann, durch die Verwendung der Roboter-internen IMU. Unsere Ergebnisse belegen, dass unser Algorithmus das Kamerabild erfolgreich stabilisieren und der rechnerische Aufwand deutlich reduziert werden kann. Ebenso präsentieren wir ein neues Design eines Quadcopters, um dessen Ausrichtung von der lateralen Bewegung zu entkoppeln. Unser Konzept erlaubt die Neigung der Propellerblätter unabhängig von der Ausrichtung des Roboters mit Hilfe zweier zusätzlicher Aktuatoren. Nachdem wir das dynamische Modell dieses Systems hergeleitet haben, synthetisierten wir einen auf Feedback-Linearisierung basierten Regler. Simulationen bestätigen unsere Überlegungen und heben die Verbesserung der Manövrierfähigkeit dieses neuartigen Designs hervor.The teleoperation of unmanned aerial vehicles (UAVs), especially in cramped, GPS-restricted, environments, poses many challenges. The presence of obstacles in an unfamiliar environment requires reliable state estimation and active algorithms to prevent collisions. In this dissertation, we present a collision-free indoor navigation system for a teleoperated quadrotor UAV. The platform is equipped with an on-board miniature computer and a minimal set of sensors for this task and is self-sufficient with respect to external tracking systems and computation. The platform is capable of highly accurate state-estimation, tracking of the velocity commanded by the user and collision-free navigation. The robot estimates its state in a cascade architecture. The attitude of the platform is calculated with a complementary filter and its linear velocity through a Kalman filter integration of inertial and optical flow measurements. An RGB-D camera serves the purpose of providing visual feedback to the operator and depth measurements to build a probabilistic, robot-centric obstacle state with a bin-occupancy filter. The algorithm tracks the obstacles when they leave the field of view of the sensor by updating their positions with the estimate of the robot's motion. The avoidance part of our navigation system is based on the Model Predictive Control approach. By predicting the possible future obstacles states, the UAV filters the operator commands by altering them to prevent collisions. Experiments in obstacle-rich indoor and outdoor environments validate the efficiency of the proposed setup. Flying robots are highly prone to damage in cases of control errors, as these most likely will cause them to fall to the ground. Therefore, the development of algorithm for UAVs entails considerable amount of time and resources. In this dissertation we present two simulation methods, i.e. software- and hardware-in-the-loop simulations, to facilitate this process. The software-in-the-loop testing was used for the development and tuning of the state estimator for our robot using both the simulated sensors and pre-recorded datasets of sensor measurements, e.g., from real robotic experiments. With hardware-in-the-loop simulations, we are able to command the robot simulated in Gazebo, a popular open source ROS-enabled physical simulator, using computational units that are embedded on our quadrotor UAVs. Hence, we can test in simulation not only the correct execution of algorithms, but also the computational feasibility directly on the robot's hardware. Lastly, we analyze the influence of the robot's motion on the visual feedback provided to the operator. While some UAVs have the capacity to carry mechanically stabilized camera equipment, weight limits or other problems may make mechanical stabilization impractical. With a fixed camera, the video stream is often unsteady due to the multirotor's movement and can impair the operator's situation awareness. There has been significant research on how to stabilize videos using feature tracking to determine camera movement, which in turn is used to manipulate frames and stabilize the camera stream. However, we believe that this process could be greatly simplified by using data from a UAV’s on-board inertial measurement unit to stabilize the camera feed. Our results show that our algorithm successfully stabilizes the camera stream with the added benefit of requiring less computational power. We also propose a novel quadrotor design concept to decouple its orientation from the lateral motion of the quadrotor. In our design the tilt angles of the propellers with respect to the quadrotor body are being simultaneously controlled with two additional actuators by employing the parallelogram principle. After deriving the dynamic model of this design, we propose a controller for this platform based on feedback linearization. Simulation results confirm our theoretical findings, highlighting the improved motion capabilities of this novel design with respect to standard quadrotors

Safe and accurate MAV Control, navigation and manipulation

This work focuses on the problem of precise, aggressive and safe Micro Aerial Vehicle (MAV) navigation as well as deployment in applications which require physical interaction with the environment. To address these issues, we propose three different MAV model based control algorithms that rely on the concept of receding horizon control. As a starting point, we present a computationally cheap algorithm which utilizes an approximate linear model of the system around hover and is thus maximally accurate for slow reference maneuvers. Aiming at overcoming the limitations of the linear model parameterisation, we present an extension to the first controller which relies on the true nonlinear dynamics of the system. This approach, even though computationally more intense, ensures that the control model is always valid and allows tracking of full state aggressive trajectories. The last controller addresses the topic of aerial manipulation in which the versatility of aerial vehicles is combined with the manipulation capabilities of robotic arms. The proposed method relies on the formulation of a hybrid nonlinear MAV-arm model which also takes into account the effects of contact with the environment. Finally, in order to enable safe operation despite the potential loss of an actuator, we propose a supervisory algorithm which estimates the health status of each motor. We further showcase how this can be used in conjunction with the nonlinear controllers described above for fault tolerant MAV flight. While all the developed algorithms are formulated and tested using our specific MAV platforms (consisting of underactuated hexacopters for the free flight experiments, hexacopter-delta arm system for the manipulation experiments), we further discuss how these can be applied to other underactuated/overactuated MAVs and robotic arm platforms. The same applies to the fault tolerant control where we discuss different stabilisation techniques depending on the capabilities of the available hardware. Even though the primary focus of this work is on feedback control, we thoroughly describe the custom hardware platforms used for the experimental evaluation, the state estimation algorithms which provide the basis for control as well as the parameter identification required for the formulation of the various control models. We showcase all the developed algorithms in experimental scenarios designed to highlight the corresponding strengths and weaknesses as well as show that the proposed methods can run in realtime on commercially available hardware.Open Acces

Use of Unmanned Aerial Systems in Civil Applications

Interest in drones has been exponentially growing in the last ten years and these machines are often presented as the optimal solution in a huge number of civil applications (monitoring, agriculture, emergency management etc). However the promises still do not match the data coming from the consumer market, suggesting that the only big field in which the use of small unmanned aerial vehicles is actually profitable is the video-makers’ one. This may be explained partly with the strong limits imposed by existing (and often "obsolete") national regulations, but also - and pheraps mainly - with the lack of real autonomy. The vast majority of vehicles on the market nowadays are infact autonomous only in the sense that they are able to follow a pre-determined list of latitude-longitude-altitude coordinates. The aim of this thesis is to demonstrate that complete autonomy for UAVs can be achieved only with a performing control, reliable and flexible planning platforms and strong perception capabilities; these topics are introduced and discussed by presenting the results of the main research activities performed by the candidate in the last three years which have resulted in 1) the design, integration and control of a test bed for validating and benchmarking visual-based algorithm for space applications; 2) the implementation of a cloud-based platform for multi-agent mission planning; 3) the on-board use of a multi-sensor fusion framework based on an Extended Kalman Filter architecture

Intelligent Control for Fixed-Wing eVTOL Aircraft

Urban Air Mobility (UAM) holds promise for personal air transportation by deploying "flying cars" over cities. As such, fixed-wing electric vertical take-off and landing (eVTOL) aircraft has gained popularity as they can swiftly traverse cluttered areas, while also efficiently covering longer distances. These modes of operation call for an enhanced level of precision, safety, and intelligence for flight control. The hybrid nature of these aircraft poses a unique challenge that stems from complex aerodynamic interactions between wings, rotors, and the environment. Thus accurate estimation of external forces is indispensable for a high performance flight. However, traditional methods that stitch together different control schemes often fall short during hybrid flight modes. On the other hand, learning-based approaches circumvent modeling complexities, but they often lack theoretical guarantees for stability. In the first part of this thesis, we study the theoretical benefits of these fixed-wing eVTOL aircraft, followed by the derivation of a novel unified control framework. It consists of nonlinear position and attitude controllers using forces and moments as inputs; and control allocation modules that determine desired attitudes and thruster signals. Next, we present a composite adaptation scheme for linear-in-parameter (LiP) dynamics models, which provides accurate realtime estimation for wing and rotor forces based on measurements from a three-dimensional airflow sensor. Then, we introduce a design method to optimize multirotor configuration that ensures a property of robustness against rotor failures. In the second part of the thesis, we use deep neural networks (DNN) to learn part of unmodeled dynamics of the flight vehicles. Spectral normalization that regulates the Lipschitz constants of the neural network is applied for better generalization outside the training domain. The resultant network is utilized in a nonlinear feedback controller with a contraction mapping update, solving the nonaffine-in-control issue that arises. Next, we formulate general methods for designing and training DNN-based dynamics, controller, and observer. The general framework can theoretically handle any nonlinear dynamics with prior knowledge of its structure. Finally, we establish a delay compensation technique that transforms nominal controllers for an undelayed system into a sample-based predictive controller with numerical integration. The proposed method handles both first-order and transport delays in actuators and balances between numerical accuracy and computational efficiency to guarantee stability under strict hardware limitations.</p

Planning and Navigation in Dynamic Environments for Mobile Robots and Micro Aerial Vehicles

Reliable and robust navigation planning and obstacle avoidance is key for the autonomous operation of mobile robots. In contrast to stationary industrial robots that often operate in controlled spaces, planning for mobile robots has to take changing environments and uncertainties into account during plan execution. In this thesis, planning and obstacle avoidance techniques are proposed for a variety of ground and aerial robots. Common to most of the presented approaches is the exploitation of the nature of the underlying problem to achieve short planning times by using multiresolution or hierarchical approaches. Short planning times allow for continuous and fast replanning to take the uncertainty in the environment and robot motion execution into account. The proposed approaches are evaluated in simulation and real-world experiments. The first part of this thesis addresses planning for mobile ground robots. One contribution is an approach to grasp and object removal planning to pick objects from a transport box with a mobile manipulation robot. In a multistage process, infeasible grasps are pruned in offline and online processing steps. Collision-free endeffector trajectories are planned to the remaining grasps until a valid removal trajectory can be found. An object-centric local multiresolution representation accelerates trajectory planning. The mobile manipulation components are evaluated in an integrated mobile bin-picking system. Local multiresolution planning is employed for path planning for humanoid soccer robots as well. The used Nao robot is equipped with only relatively low computing power. A resource-efficient path planner including the anticipated movements of opponents on the field is developed as part of this thesis. In soccer games an important subproblem is to reach a position behind the ball to dribble or kick it towards the goal. By the assumption that the opponents have the same intention, an explicit representation of their movements is possible. This leads to paths that facilitate the robot to reach its target position with a higher probability without being disturbed by the other robot. The evaluation for the planner is performed in a physics-based soccer simulation. The second part of this thesis covers planning and obstacle avoidance for micro aerial vehicles (MAVs), in particular multirotors. To reduce the planning complexity, the planning problem is split into a hierarchy of planners running on different levels of abstraction, i.e., from abstract to detailed environment descriptions and from coarse to fine plans. A complete planning hierarchy for MAVs is presented, from mission planners for multiple application domains to low-level obstacle avoidance. Missions planned on the top layer are executed by means of coupled allocentric and egocentric path planning. Planning is accelerated by global and local multiresolution representations. The planners can take multiple objectives into account in addition to obstacle costs and path length, e.g., sensor constraints. The path planners are supplemented by trajectory optimization to achieve dynamically feasible trajectories that can be executed by the underlying controller at higher velocities. With the initialization techniques presented in this thesis, the convergence of the optimization problem is expedited. Furthermore, frequent reoptimization of the initial trajectory allows for the reaction to changes in the environment without planning and optimizing a complete new trajectory. Fast, reactive obstacle avoidance based on artificial potential fields acts as a safety layer in the presented hierarchy. The obstacle avoidance layer employs egocentric sensor data and can operate at the data acquisition frequency of up to 40 Hz. It can slow-down and stop the MAVs in front of obstacles as well as avoid approaching dynamic obstacles. We evaluate our planning and navigation hierarchy in simulation and with a variety of MAVs in real-world applications, especially outdoor mapping missions, chimney and building inspection, and automated stocktaking.Planung und Navigation in dynamischen Umgebungen für mobile Roboter und Multikopter Zuverlässige und sichere Navigationsplanung und Hindernisvermeidung ist ein wichtiger Baustein für den autonomen Einsatz mobiler Roboter. Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern, die in der Regel in abgetrennten, kontrollierten Bereichen betrieben werden, ist es in der mobilen Robotik unerlässlich, Änderungen in der Umgebung und die Unsicherheit bei der Aktionsausführung zu berücksichtigen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren zur Planung und Hindernisvermeidung für eine Reihe unterschiedlicher Boden- und Flugroboter entwickelt und vorgestellt. Den meisten beschriebenen Ansätzen ist gemein, dass die Struktur der zu lösenden Probleme ausgenutzt wird, um Planungsprozesse zu beschleunigen. Häufig ist es möglich, mit abnehmender Genauigkeit zu planen desto weiter eine Aktion in der Zeit oder im Ort entfernt ist. Dieser Ansatz wird lokale Multiresolution genannt. In anderen Fällen ist eine Zerlegung des Problems in Schichten unterschiedlicher Genauigkeit möglich. Die damit zu erreichende Beschleunigung der Planung ermöglicht ein häufiges Neuplanen und somit die Reaktion auf Änderungen in der Umgebung und Abweichungen bei den ausgeführten Aktionen. Zur Evaluation der vorgestellten Ansätze werden Experimente sowohl in der Simulation als auch mit Robotern durchgeführt. Der erste Teil dieser Dissertation behandelt Planungsmethoden für mobile Bodenroboter. Um Objekte mit einem mobilen Roboter aus einer Transportkiste zu greifen und zur Weiterverarbeitung zu einem Arbeitsplatz zu liefern, wurde ein System zur Planung möglicher Greifposen und hindernisfreier Endeffektorbahnen entwickelt. In einem mehrstufigen Prozess werden mögliche Griffe an bekannten Objekten erst in mehreren Vorverarbeitungsschritten (offline) und anschließend, passend zu den erfassten Objekten, online identifiziert. Zu den verbleibenden möglichen Griffen werden Endeffektorbahnen geplant und, bei Erfolg, ausgeführt. Die Greif- und Bahnplanung wird durch eine objektzentrische lokale Multiresolutionskarte beschleunigt. Die Einzelkomponenten werden in einem prototypischen Gesamtsystem evaluiert. Eine weitere Anwendung für die lokale Multiresolutionsplanung ist die Pfadplanung für humanoide Fußballroboter. Zum Einsatz kommen Nao-Roboter, die nur über eine sehr eingeschränkte Rechenleistung verfügen. Durch die Reduktion der Planungskomplexität mit Hilfe der lokalen Multiresolution, wurde die Entwicklung eines Planers ermöglicht, der zusätzlich zur aktuellen Hindernisfreiheit die Bewegung der Gegenspieler auf dem Feld berücksichtigt. Hierbei liegt der Fokus auf einem wichtigen Teilproblem, dem Erreichen einer guten Schussposition hinter dem Ball. Die Tatsache, dass die Gegenspieler vergleichbare Ziele verfolgen, ermöglicht es, Annahmen über mögliche Laufwege zu treffen. Dadurch ist die Planung von Pfaden möglich, die das Risiko, durch einen Gegenspieler passiv geblockt zu werden, reduzieren, so dass die Schussposition schneller erreicht wird. Dieser Teil der Arbeit wird in einer physikalischen Fußballsimulation evaluiert. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden Methoden zur Planung und Hindernisvermeidung von Multikoptern behandelt. Um die Planungskomplexität zu reduzieren, wird das zu lösenden Planungsproblem hierarchisch zerlegt und durch verschiedene Planungsebenen verarbeitet. Dabei haben höhere Planungsebenen eine abstraktere Weltsicht und werden mit niedriger Frequenz ausgeführt, zum Beispiel die Missionsplanung. Niedrigere Ebenen haben eine Weltsicht, die mehr den Sensordaten entspricht und werden mit höherer Frequenz ausgeführt. Die Granularität der resultierenden Pläne verfeinert sich hierbei auf niedrigeren Ebenen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine komplette Planungshierarchie für Multikopter entwickelt, von Missionsplanern für verschiedene Anwendungsgebiete bis zu schneller Hindernisvermeidung. Pfade zur Ausführung geplanter Missionen werden durch zwei gekoppelte Planungsebenen erstellt, erst allozentrisch, und dann egozentrisch verfeinert. Hierbei werden ebenfalls globale und lokale Multiresolutionsrepräsentationen zur Beschleunigung der Planung eingesetzt. Zusätzlich zur Hindernisfreiheit und Länge der Pfade können auf diesen Planungsebenen weitere Zielfunktionen berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Berücksichtigung von Sensorcharakteristika. Ergänzt werden die Planungsebenen durch die Optimierung von Flugbahnen. Diese Flugbahnen berücksichtigen eine angenäherte Flugdynamik und erlauben damit ein schnelleres Verfolgen der optimierten Pfade. Um eine schnelle Konvergenz des Optimierungsproblems zu erreichen, wurde in dieser Arbeit ein Verfahren zur Initialisierung entwickelt. Des Weiteren kommen Methoden zur schnellen Verfeinerung des Optimierungsergebnisses bei Änderungen im Weltzustand zum Einsatz, diese ermöglichen die Reaktion auf neue Hindernisse oder Abweichungen von der Flugbahn, ohne eine komplette Flugbahn neu zu planen und zu optimieren. Die Sicherheit des durch die Planungs- und Optimierungsebenen erstellten Pfades wird durch eine schnelle, reaktive Hindernisvermeidung gewährleistet. Das Hindernisvermeidungsmodul basiert auf der Methode der künstlichen Potentialfelder. Durch die Verwendung dieser schnellen Methode kombiniert mit der Verwendung von nicht oder nur über kurze Zeiträume aggregierte Sensordaten, ermöglicht die Reaktion auf unbekannte Hindernisse, kurz nachdem diese von den Sensoren wahrgenommen wurden. Dabei kann der Multikopter abgebremst oder gestoppt werden, und sich von nähernden Hindernissen entfernen. Die Komponenten der Planungs- und Hindernisvermeidungshierarchie werden sowohl in der Simulation evaluiert, als auch in integrierten Gesamtsystemen mit verschiedenen Multikoptern in realen Anwendungen. Dies sind insbesondere die Kartierung von Innen- und Außenbereichen, die Inspektion von Gebäuden und Schornsteinen sowie die automatisierte Inventur von Lägern

Aerial Robotics for Inspection and Maintenance

Aerial robots with perception, navigation, and manipulation capabilities are extending the range of applications of drones, allowing the integration of different sensor devices and robotic manipulators to perform inspection and maintenance operations on infrastructures such as power lines, bridges, viaducts, or walls, involving typically physical interactions on flight. New research and technological challenges arise from applications demanding the benefits of aerial robots, particularly in outdoor environments. This book collects eleven papers from different research groups from Spain, Croatia, Italy, Japan, the USA, the Netherlands, and Denmark, focused on the design, development, and experimental validation of methods and technologies for inspection and maintenance using aerial robots