A Survey on Aerial Swarm Robotics

The use of aerial swarms to solve real-world problems has been increasing steadily, accompanied by falling prices and improving performance of communication, sensing, and processing hardware. The commoditization of hardware has reduced unit costs, thereby lowering the barriers to entry to the field of aerial swarm robotics. A key enabling technology for swarms is the family of algorithms that allow the individual members of the swarm to communicate and allocate tasks amongst themselves, plan their trajectories, and coordinate their flight in such a way that the overall objectives of the swarm are achieved efficiently. These algorithms, often organized in a hierarchical fashion, endow the swarm with autonomy at every level, and the role of a human operator can be reduced, in principle, to interactions at a higher level without direct intervention. This technology depends on the clever and innovative application of theoretical tools from control and estimation. This paper reviews the state of the art of these theoretical tools, specifically focusing on how they have been developed for, and applied to, aerial swarms. Aerial swarms differ from swarms of ground-based vehicles in two respects: they operate in a three-dimensional space and the dynamics of individual vehicles adds an extra layer of complexity. We review dynamic modeling and conditions for stability and controllability that are essential in order to achieve cooperative flight and distributed sensing. The main sections of this paper focus on major results covering trajectory generation, task allocation, adversarial control, distributed sensing, monitoring, and mapping. Wherever possible, we indicate how the physics and subsystem technologies of aerial robots are brought to bear on these individual areas

Proceedings of the Fifth NASA/NSF/DOD Workshop on Aerospace Computational Control

The Fifth Annual Workshop on Aerospace Computational Control was one in a series of workshops sponsored by NASA, NSF, and the DOD. The purpose of these workshops is to address computational issues in the analysis, design, and testing of flexible multibody control systems for aerospace applications. The intention in holding these workshops is to bring together users, researchers, and developers of computational tools in aerospace systems (spacecraft, space robotics, aerospace transportation vehicles, etc.) for the purpose of exchanging ideas on the state of the art in computational tools and techniques

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 267)

This bibliography lists 661 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in June, 1991. Subject coverage includes design, construction and testing of aircraft and aircraft engines; aircraft components, equipment and systems; ground support systems; theoretical and applied aspects of aerodynamics and general fluid dynamics; electrical engineering; aircraft control; remote sensing; computer sciences; nuclear physics; and social sciences

Cooperative Localization in Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks

Die großflächige Erkundung und Überwachung von Tiefseegebieten gewinnt mehr und mehr an Bedeutung für Industrie und Wissenschaft. Diese schwer zugänglichen Areale in der Tiefsee können nur mittels Teams unbemannter Tauchbote effizient erkundet werden. Aufgrund der hohen Kosten, war bisher ein Einsatz von mehreren autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) wirtschaftlich undenkbar, wodurch AUV-Teams nur in Simulationen erforscht werden konnten. In den letzten Jahren konnte jedoch eine Entwicklung hin zu günstigeren und robusteren AUVs beobachtet werden. Somit wird der Einsatz von AUV-Teams in Zukunft zu einer realen Option. Die wachsende Nachfrage nach Technologien zur Unterwasseraufklärung und Überwachung konnte diese Entwicklung noch zusätzlich beschleunigen. Eine der größten technischen Hürden für tief tauchende AUVs ist die Unterwasserlokalisierug. Satelitengestützte Navigation ist in der Tiefe nicht möglich, da Radiowellen bereits nach wenigen Metern im Wasser stark an Intensität verlieren. Daher müssen neue Ansätze für die Unterwasserlokalisierung entwickelt werden die sich auch für Fahrzeugenverbände skalieren lassen. Der Einsatz von AUV-Teams ermöglicht nicht nur völlig neue Möglichkeiten der Kooperation, sondern erlaubt auch jedem einzelnen AUV von den Navigationsdaten der anderen Fahrzeuge im Verband zu profitieren, um die eigene Lokalisierung zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein kooperativer Lokalisierungsansatz vorgestellt, welcher auf dem Nachrichtenaustausch durch akustische Ultra-Short Base-Line (USBL) Modems basiert. Ein akustisches Modem ermöglicht die Übertragung von Datenpaketen im Wasser, wärend ein USBL-Sensor die Richtung einer akustischen Quelle bestimmen kann. Durch die Kombination von Modem und Sensor entsteht ein wichtiges Messinstrument für die Unterwasserlokalisierung. Wenn ein Fahrzeug ein Datenpaket mit seiner eignen Position aussendet, können andere Fahrzeuge mit einem USBL-Modem diese Nachricht empfangen. In Verbindung mit der Richtungsmessung zur Quelle, können diese Daten von einem Empfangenden AUV verwendet werden, um seine eigene Positionsschatzung zu verbessern. Diese Arbeit schlägt einen Ansatz zur Fusionierung der empfangenen Nachricht mit der Richtungsmessung vor, welcher auch die jeweiligen Messungenauigkeiten berücksichtigt. Um die Messungenauigkeit des komplexen USBL-Sensors bestimmen zu können, wurde zudem ein detailliertes Sensormodell entwickelt. Zunächst wurden existierende Ansätze zur kooperativen Lokalisierung (CL) untersucht, um daraus eine Liste von erwünschten Eigenschaften für eine CL abzuleiten. Darauf aufbauend wurde der Deep-Sea Network Lokalisation (DNL) Ansatz entwickelt. Bei DNL handelt es sich um eine CL Methode, bei der die Skalierbarkeit sowie die praktische Anwendbarkeit im Fokus stehen. DNL ist als eine Zwischenschicht konzipiert, welche USBL-Modem und Navigationssystem miteinander verbindet. Es werden dabei Messwerte und Kommunikationsdaten des USBL zu einer Standortbestimmung inklusive Richtungsschätzung fusioniert und an das Navigationssystem weiter geleitet, ähnlich einem GPS-Sensor. Die Funktionalität von USBL-Modell und DNL konnten evaluiert werden anhand von Messdaten aus Seeerprobungen in der Ostsee sowie im Mittelatlantik. Die Qualität einer CL hangt häufig von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Die Netzwerktopologie muss genauso berücksichtig werden wie die Lokalisierungsfähigkeiten jedes einzelnen Teilnehmers. Auch das Kommunikationsverhalten der einzelnen Teilnehmer bestimmt, welche Informationen im Netzwerk vorhanden sind und hat somit einen starken Einfluss auf die CL. Um diese Einflussfaktoren zu untersuchen, wurden eine Reihe von Szenarien simuliert, in denen Kommunikationsverhalten und Netzwerktopologie für eine Gruppe von AUVs variiert wurden. In diesen Experimenten wurden die AUVs durch ein Oberflächenfahrzeug unterstützt, welches seine geo-referenzierte Position über DNL an die getauchten Fahrzeuge weiter leitete. Anhand der untersuchten Topologie können die Experimente eingeteilt werden in Single-Hop und Multi-Hop. Single-Hop bedeutet, dass jedes AUV sich in der Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet und dessen Positionsdaten auf direktem Wege erhält. Wie die Ergebnisse der Single-Hop Experimente zeigen, kann der Lokalisierungsfehler der AUVs eingegrenzt werden, wenn man DNL verwendet. Dabei korreliert der Lokalisierungsfehler mit der kombinierten Ungenauigkeit von USBL-Messung und Oberflächenfahrzeugposition. Bei den Multi-Hop Experimenten wurde die Topologie so geändert, dass sich nur eines der AUVs in direkter Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet. Dieses AUV verbessert seine Position mit den empfangen Daten des Oberflächenfahrzeugs und sendet wiederum seine verbesserte Position an die anderen AUVs. Auch hier konnte gezeigt werden, dass sich der Lokalisierungfehler der Gruppe mit DNL einschränken lässt. Ändert man nun das Schema der Kommunikation so, dass alle AUVs zyklisch ihre Position senden, zeigte sich eine Verschlechterung der Lokalisierungsqualität der Gruppe. Dieses unerwartet Ergebnis konnte auf einen Teil des DNL-Algorithmus zurück geführt werden. Da die verwendete USBL-Klasse nur die Richtung eines Signals misst, nicht jedoch die Entfernung zum Sender, wird in der DNL-Schicht eine Entfernungsschatzung vorgenommen. Wenn die Kommunikation nicht streng unidirektional ist, entsteht eine Ruckkopplungsschleife, was zu fehlerhaften Entfernungsschatzungen führt. Im letzten Experiment wird gezeigt wie sich dieses Problem vermeiden lasst, mithilfe einer relativ neue USBL-Klasse, die sowohl Richtung als auch Entfernung zum Sender misst. Die zwei wesentlichen Beiträge dieser Arbeit sind das USBL-Model zum einen und zum Anderen, der neue kooperative Lokalisierungsansatz DNL. Mithilfe des Sensormodels lassen sich nicht nur Messabweichungen einer USBL-Messung bestimmen, es kann auch dazu genutzt werden, einige Fehlereinflüsse zu korrigieren. Mit DNL wurde eine skalierbare CL-Methode entwickelt, die sich gut für den den Einsatz bei mobilen Unterwassersensornetzwerken eignet. Durch das Konzept als Zwischenschicht, lasst sich DNL einfach in bestehende Navigationslösungen integrieren, um die Langzeitstabilität der Navigation für große Verbände von tiefgetauchten Fahrzeugen zu gewährleisten. Sowohl USBL-Model als auch DNL sind dabei so ressourcenschonend, dass sie auf dem Computer eines Standard USBL laufen können, ohne die ursprüngliche Funktionalität einzuschränken, was den praktischen Einsatz zusätzlich vereinfacht

Multiple UAV systems: a survey

Nowadays, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are used in many different applications. Using systems of multiple UAVs is the next obvious step in the process of applying this technology for variety of tasks. There are few research works that cover the applications of these systems and they are all highly specialized. The goal of this survey is to fill this gap by providing a generic review on different applications of multiple UAV systems that have been developed in recent years. We also present a nomenclature and architecture taxonomy for these systems. In the end, a discussion on current trends and challenges is provided.This work was funded by the Ministry of Economy, Industryand Competitiveness of Spain under Grant Nos. TRA2016-77012-R and BES-2017-079798Peer ReviewedPostprint (published version

Large space structures and systems in the space station era: A bibliography with indexes (supplement 04)

Bibliographies and abstracts are listed for 1211 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system between 1 Jul. and 30 Dec. 1991. Its purpose is to provide helpful information to the researcher, manager, and designer in technology development and mission design according to system, interactive analysis and design, structural concepts and control systems, electronics, advanced materials, assembly concepts, propulsion, and solar power satellite systems

Vision Based Collaborative Localization and Path Planning for Micro Aerial Vehicles

Autonomous micro aerial vehicles (MAV) have gained immense popularity in both the commercial and research worlds over the last few years. Due to their small size and agility, MAVs are considered to have great potential for civil and industrial tasks such as photography, search and rescue, exploration, inspection and surveillance. Autonomy on MAVs usually involves solving the major problems of localization and path planning. While GPS is a popular choice for localization for many MAV platforms today, it suffers from issues such as inaccurate estimation around large structures, and complete unavailability in remote areas/indoor scenarios. From the alternative sensing mechanisms, cameras arise as an attractive choice to be an onboard sensor due to the richness of information captured, along with small size and inexpensiveness. Another consideration that comes into picture for micro aerial vehicles is the fact that these small platforms suffer from inability to fly for long amounts of time or carry heavy payload, scenarios that can be solved by allocating a group, or a swarm of MAVs to perform a task than just one. Collaboration between multiple vehicles allows for better accuracy of estimation, task distribution and mission efficiency. Combining these rationales, this dissertation presents collaborative vision based localization and path planning frameworks. Although these were created as two separate steps, the ideal application would contain both of them as a loosely coupled localization and planning algorithm. A forward-facing monocular camera onboard each MAV is considered as the sole sensor for computing pose estimates. With this minimal setup, this dissertation first investigates methods to perform feature-based localization, with the possibility of fusing two types of localization data: one that is computed onboard each MAV, and the other that comes from relative measurements between the vehicles. Feature based methods were preferred over direct methods for vision because of the relative ease with which tangible data packets can be transferred between vehicles, and because feature data allows for minimal data transfer compared to large images. Inspired by techniques from multiple view geometry and structure from motion, this localization algorithm presents a decentralized full 6-degree of freedom pose estimation method complete with a consistent fusion methodology to obtain robust estimates only at discrete instants, thus not requiring constant communication between vehicles. This method was validated on image data obtained from high fidelity simulations as well as real life MAV tests. These vision based collaborative constraints were also applied to the problem of path planning with a focus on performing uncertainty-aware planning, where the algorithm is responsible for generating not only a valid, collision-free path, but also making sure that this path allows for successful localization throughout. As joint multi-robot planning can be a computationally intractable problem, planning was divided into two steps from a vision-aware perspective. As the first step for improving localization performance is having access to a better map of features, a next-best-multi-view algorithm was developed which can compute the best viewpoints for multiple vehicles that can improve an existing sparse reconstruction. This algorithm contains a cost function containing vision-based heuristics that determines the quality of expected images from any set of viewpoints; which is minimized through an efficient evolutionary strategy known as Covariance Matrix Adaption (CMA-ES) that can handle very high dimensional sample spaces. In the second step, a sampling based planner called Vision-Aware RRT* (VA-RRT*) was developed which includes similar vision heuristics in an information gain based framework in order to drive individual vehicles towards areas that can benefit feature tracking and thus localization. Both steps of the planning framework were tested and validated using results from simulation

CEAS/AIAA/ICASE/NASA Langley International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics 1999

These proceedings represent a collection of the latest advances in aeroelasticity and structural dynamics from the world community. Research in the areas of unsteady aerodynamics and aeroelasticity, structural modeling and optimization, active control and adaptive structures, landing dynamics, certification and qualification, and validation testing are highlighted in the collection of papers. The wide range of results will lead to advances in the prediction and control of the structural response of aircraft and spacecraft

Emerging Trends in Mechatronics

Mechatronics is a multidisciplinary branch of engineering combining mechanical, electrical and electronics, control and automation, and computer engineering fields. The main research task of mechatronics is design, control, and optimization of advanced devices, products, and hybrid systems utilizing the concepts found in all these fields. The purpose of this special issue is to help better understand how mechatronics will impact on the practice and research of developing advanced techniques to model, control, and optimize complex systems. The special issue presents recent advances in mechatronics and related technologies. The selected topics give an overview of the state of the art and present new research results and prospects for the future development of the interdisciplinary field of mechatronic systems