Autonomous Obstacle Collision Avoidance System for UAVs in rescue operations

The Unmanned Aerial Vehicles (UAV) and its applications are growing for both civilian and military purposes. The operability of an UAV proved that some tasks and operations can be done easily and at a good cost-efficiency ratio. Nowadays, an UAV can perform autonomous tasks, by using waypoint mission navigation using a GPS sensor. These autonomous tasks are also called missions. It is very useful to certain UAV applications, such as meteorology, vigilance systems, agriculture, environment mapping and search and rescue operations. One of the biggest problems that an UAV faces is the possibility of collision with other objects in the flight area. This can cause damage to surrounding area structures, humans or the UAV itself. To avoid this, an algorithm was developed and implemented in order to prevent UAV collision with other objects. “Sense and Avoid” algorithm was developed as a system for UAVs to avoid objects in collision course. This algorithm uses a laser distance sensor called LiDAR (Light Detection and Ranging), to detect objects facing the UAV in mid-flights. This light sensor is connected to an on-board hardware, Pixhawk’s flight controller, which interfaces its communications with another hardware: Raspberry Pi. Communications between Ground Control Station or RC controller are made via Wi-Fi telemetry or Radio telemetry. “Sense and Avoid” algorithm has two different modes: “Brake” and “Avoid and Continue”. These modes operate in different controlling methods. “Brake” mode is used to prevent UAV collisions with objects when controlled by a human operator that is using a RC controller. “Avoid and Continue” mode works on UAV’s autonomous modes, avoiding collision with objects in sight and proceeding with the ongoing mission. In this dissertation, some tests were made in order to evaluate the “Sense and Avoid” algorithm’s overall performance. These tests were done in two different environments: A 3D simulated environment and a real outdoor environment. Both modes worked successfully on a simulated 3D environment, and “Brake” mode on a real outdoor, proving its concepts.Os veículos aéreos não tripulados (UAV) e as suas aplicações estão cada vez mais a ser utilizadas para fins civis e militares. A operacionalidade de um UAV provou que algumas tarefas e operações podem ser feitas facilmente e com uma boa relação de custo-benefício. Hoje em dia, um UAV pode executar tarefas autonomamente, usando navegação por waypoints e um sensor de GPS. Essas tarefas autónomas também são designadas de missões. As missões autónomas poderão ser usadas para diversos propósitos, tais como na meteorologia, sistemas de vigilância, agricultura, mapeamento de áreas e operações de busca e salvamento. Um dos maiores problemas que um UAV enfrenta é a possibilidade de colisão com outros objetos na área, podendo causar danos às estruturas envolventes, aos seres humanos ou ao próprio UAV. Para evitar tais ocorrências, foi desenvolvido e implementado um algoritmo para evitar a colisão de um UAV com outros objetos. O algoritmo "Sense and Avoid" foi desenvolvido como um sistema para UAVs de modo a evitar objetos em rota de colisão. Este algoritmo utiliza um sensor de distância a laser chamado LiDAR (Light Detection and Ranging), para detetar objetos que estão em frente do UAV. Este sensor é ligado a um hardware de bordo, a controladora de voo Pixhawk, que realiza as suas comunicações com outro hardware complementar: o Raspberry Pi. As comunicações entre a estação de controlo ou o operador de comando RC são feitas via telemetria Wi-Fi ou telemetria por rádio. O algoritmo "Sense and Avoid" tem dois modos diferentes: o modo "Brake" e modo "Avoid and Continue". Estes modos operam em diferentes métodos de controlo do UAV. O modo "Brake" é usado para evitar colisões com objetos quando controlado via controlador RC por um operador humano. O modo "Avoid and Continue" funciona nos modos de voo autónomos do UAV, evitando colisões com objetos à vista e prosseguindo com a missão em curso. Nesta dissertação, alguns testes foram realizados para avaliar o desempenho geral do algoritmo "Sense and Avoid". Estes testes foram realizados em dois ambientes diferentes: um ambiente de simulação em 3D e um ambiente ao ar livre. Ambos os modos obtiveram funcionaram com sucesso no ambiente de simulação 3D e o mode “Brake” no ambiente real, provando os seus conceitos

Generalized software application for operation of a 3D vehicle in air, water and land

The unmanned vehicles (UV) and its applications are growing exponentially. Using the radio control is the most common way to control these types of vehicles for being a simple and cheap method to control an UV. However, it doesn’t have a visual interface that allows the user to see the vehicle’s information such as battery status, speed, distance, geolocation, etc. To deal with this problem, some mobile and desktop applications have been developed. To communicate between the control device and the vehicle, dongles are commonly used to establish the connection using radio, Bluetooth or Wi-Fi. In most cases, these technologies don’t allow the user to control at long distances, Beyond Line Of-Sight (BLOS), and these applications are focused to use mostly on multi-copters, and most of the times, they only allow to connect a vehicle at a time. The purpose of this dissertation is to study the reliability of an application able to control multiple types of vehicles, such as aerial, land and water vehicles. This application allows the user to connect multiple vehicles at the same time using a single device, easily change the vehicle assigned to control, by using mobile networks to perform the communication between the developed application and the vehicle. In this way, it will be possible to connect a 3D – hybrid vehicle, which is a vehicle capable of moving in water, land and air environments, allowing the user to control the vehicle at long distances with video feedback. To achieve the purpose of this dissertation, it was developed an Android application to allow controlling the vehicle by using mobile networks to communicate. In the vehicle, besides the common electronics used in an unmanned vehicle (ESC’s, motors, batteries, controller board, etc.), it will be used a Raspberry Pi 2 model B with a 3rd Generation (3G) and 4th Generation (4G) dongle that will connect the vehicle to the internet, routing the messages coming from the controller board placed in the vehicle to the mobile application. It was also developed a server application to do the user management and exchange the messages coming from both platforms: vehicle and application.Os veículos não tripulados e as suas aplicações estão em forte crescimento. O uso de rádio controlo é a maneira mais comum de controlar estes tipos de veículos, sendo o método mais barato e simples de controlar um veículo não tripulado. Contudo, não têm uma interface visual que permita ao utilizador ver as informações do veículo, tais como o nível da bateria, a velocidade, distância, geolocalização, entre outros. Para ajudar com este problema, têm sido desenvolvidas algumas aplicações para dispositivos móveis e computadores, que permitem controlar e monitorizar este tipo de veículos. Para estabelecer a comunicação entre o dispositivo de controlo e o veículo, são frequentemente usados dongles para comunicar por rádio, Bluetooth ou Wi-Fi. Na maioria dos casos, estas tecnologias não possibilitam ao utilizador o controlo a longas distâncias, para além da linha de vista, e costumam ser focadas para o uso em multicopteros, possibilitando, na maioria dos casos, a ligação de um único veículo. O âmbito desta dissertação pretende estudar e desenvolver uma aplicação com elevada fiabilidade, capaz de controlar vários tipos de veículos, nomeadamente, veículos aéreos, terrestres e aquáticos. Esta aplicação irá permitir a ligação a vários veículos ao mesmo tempo, trocar facilmente o veiculo a controlar, recorrendo aos sistemas de comunicação móveis celulares, 3ª geração (3G ) e 4ª geração (4G) para garantir a comunicação entre a aplicação desenvolvida e o veículo não tripulado. Seguindo estes princípios, é possível controlar um veículo 3D hibrido (em modo de ar, terra e mar). Esta permite ao utilizador controlar o veículo a longas distâncias com o uso de uma transmissão de vídeo. Para alcançar o objetivo desta dissertação foi desenvolvida uma aplicação Android para possibilitar o controlo recorrendo às redes móveis celulares. No veículo, além da eletrónica habitual, para um veículo não tripulado (motores, ESC’s, baterias, etc.), será também utilizado um Raspberry Pi 2 modelo B com um dongle 3G/4G que liga o veículo, redirecionando as mensagens vindas da placa de controlo para a aplicação móvel. Para a comunicação entre a aplicação e o veículo foi também desenvolvida uma aplicação instalada no servidor que é responsável pela gestão de utilizadores e pela troca de mensagens vindas de ambas as plataformas: veículo e aplicação

Uso de Drone autônomo para auxílio na comprovação de alarmes

Com o advento das tecnologias, estão crescendo as possibilidades de utilização dos Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs), pois tornaram-se mais acessíveis e fáceis de usar, além de fornecerem maior segurança quando aplicados a situações que anteriormente exigiam a utilização de aeronaves tripuladas. À medida que a tecnologia de voos autônomos evoluir, os VANTs poderão realizar tarefas cada vez mais complexas, possibilitando respostas rápidas e precisas a desafios da humanidade, como segurança pública, mudanças climáticas e desastres ambientais. O objetivo deste trabalho consiste na construção de um VANT do tipo drone que possua a capacidade de realizar voos autônomos, fornecendo meios de verificar e validar incidentes expostos através do disparo de alarmes, apresentando dados e imagens para o utilizador. O uso de drones justifica-se no auxílio do trabalho de equipes de verificação, que passam a ser acionadas somente nos casos onde os incidentes forem confirmados. Para atingir os objetivos, foi realizada uma análise das tecnologias disponíveis no mercado através da pesquisa de referencial teórico, juntamente com o desenvolvimento de um protótipo de drone e um software de monitoramento e controle. Ao final do trabalho, concluiu-se que a solução proposta possui um grande potencial, possibilitando ganho de agilidade e praticidade na verificação de alarmes disparados

Modeling and path tracking control of an outdoor robotic ground vehicle

Orientador: Ely Carneiro de PaivaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Veículos terrestres autônomos tem recebido uma atenção especial dos estudos de robótica nos últimos anos. Suas aplicações incluem segurança na condução, exploração de locais inóspitos e automatização agrícola. O enfoque deste trabalho situa-se no projeto VERO, em parceria com o CTI, e tem por objetivo o desenvolvimento de aplicações de controle de trajetória para um veículo do tipo todo-terreno. Para tal, um modelo completo (dinâmico e tridimensional) é desenvolvido, com uma atenção especial para os modelos de interação entre solo e pneu, responsáveis pelas forças não lineares atuantes sobre o veículo. Em seguida, dois modelos reduzidos e linearizados são obtidos e estes são utilizados para a síntese de controladores LQR. Uma comparação entre os controladores é realizada e a resposta de um deles é detalhada para uma análise sobre a influência das características do modelo veicular sobre o controle do veículo. Por fim, três abordagens são propostas para melhorar a resposta obtida pelos controladoresAbstract: Autonomous ground vehicles have received special attention from robotics studies in past years. Their applications include advanced driver assistance systems (ADAS), exploration of inhospitable environments and harvest autonomous machines. In partnership with CTI, this master's thesis focuses in the development of path tracking controllers applied to off-road vehicles. In order to simulate vehicle characteristics, a complete three-dimensional nonlinear dynamic model was proposed with emphasis on tire-road interaction models, which are responsible for most of the vehicle's nonlinearities. In sequence, two vehicle reduced linear models are presented and applied to synthesize LQR controllers, whose results are compared. One of them was chosen to analyze the effect of vehicles's three-dimensional dynamics on path tracking control. Finally, three different approaches are proposed to enhance controllers performanceMestradoPlanejamento de Sistemas EnergeticosMestre em Engenharia Mecânic