Quadrocopter - Modelling, Stabilisation, Control

Cílem práce je navrhnout a realizovat řízení a programovou obsluhu létajícího robotu koncepce quadrotoru. Práce je rozdělena do tří hlavních celků. První část se zabývá studií již hotových projektů, jejich vlastnostmi a použitými komponenty. Následuje popis vlastní konstrukce a fyzikálních vlastností koncepce. Druhá část pojednává o použitých komponentách. Podrobně je rozebrán především senzorický subsystém, který se zaměřuje na obsluhu senzorů, zpracováním jejich dat pro potřeby stabilizace a eliminací chyb. Dále pak obsluha akčních členů, dálkové řízení a komunikace s pozemní stanicí. V třetí části jsou ověřeny fyzikální vlastnosti, zejména akčních členů a je navrhnut algoritmus pro základní stabilizaci. Ten se skládá z trojice nezávislých regulátorů stabilizující 3 stupně volnosti robotu, jimiž jsou rotační pohyby.The Thesis objective is the design and implementation of program management and operational service for a flying robot, quadrotor concept. This thesis is divided into three main parts. The first part is focused on the studies of finished projects, their characteristics and used components, followed by a description of structure and physical properties of the concepts. The second part is focused on the components. It mainly discusses the sensory subsystem, which is concentrated on the sensors operations, data processing for the stabilization needs and elimination of errors. Then service of actuators, remote control and the ground station communication. In the third part are verified physical properties of actuators and designed basic algorithm of stabilisation. This consists of three independent regulator, stabilizing 3 degrees of robot movement freedom, which are rotational movements.

Universal Control System for Quadrocopter

Cílem této diplomové práce je návrh a realizace univerzálního řídicího systému pro létající robot typu quadrocopter. Její první část se zabývá způsoby, jakými lze řešit program pro mikrokontrolér. Zvláštní pozornost je věnována operačnímu systému reálného času FreeRTOS, který je určen pro mikrokontroléry. Druhá část práce se zaměřuje na popis zvoleného řídicího mikrokontroléru LM3S8962 a celkového hardwarového řešení. Jedna kapitola je také věnována začlenění robotu do řídicího systému Cassandra-WPF a komunikaci s ním. Třetí část se zabývá identifikací nové konstrukce robotu, především akčních členů a vytvořením jednoduchého matematického modelu. Díky němu jsou navrženy regulátory pro stabilizaci náklonu a sklonu robotu, které jsou dále otestovány na reálné konstrukci robotu. Závěr práce je věnován tvorbě řídicí aplikace pro operační systém FreeRTOS, její otestování a začlenění stabilizačních algoritmů.The Thesis objective is the design and implementation of the universal control system for a flying robot, quadrotor concept. The first part deals with ways of solving program for microcontrollers. The special attention is given to the FreeRTOS real-time operating system, which is designed for microcontrollers. The second part of the Thesis is focused on the description of the chosen microcontroller LM3S8962 and the hardware solution. One chapter is devoted to the integration of the robot to the Cassandra-WPF robotic control system. The third part deals with the identification of the new robot construction and the mathematical model creation. Using the model controllers for stabilization pitch and roll are designed and their functionality is verified on a physical model. The last part of the Thesis is focused on the FreeRTOS implementation and the control application creation.

Aerial Environmental Mapping in Reconnaissance Robotics

Letecká fotogrammetrie v oblasti bezpilotních systémů představuje rychle rozvíjející se obor nalézající uplatnění napříč nejen průmyslovými odvětvími. Široce rozšířená metoda nepřímého georeferencování založená na vlícovacích bodech sice dosahuje vysoké přesnosti a spolehlivosti, v některých speciálních aplikacích nicméně není použitelná. Tato disertační práce se zabývá vývojem senzorického systému pro přímé georeferencování aplikovatelného na malých bezpilotních prostředcích a dále také návrhem vhodných kalibračních metod a testováním přesnosti. Významná část práce je věnována novým oblastem, kde může navržený systém pomoci eliminovat bezpečnostní rizika spojená s daným prostředím. V tomto kontextu byl systém testován v reálných podmínkách při mapování sněhu v horských oblastech a při robotickém mapování radiace.In the last decade, aerial photogrammetry performed with small unmanned aircraft systems has been developed into a progressive technology applicable across multiple fields and branches. The regular approach employing control points for georeferencing is characterized by high accuracy and reliability; however, it can also be considered generally unusable in some special scenarios. This thesis has been conceived to design and discuss a sensor system that allows direct georeferencing in unmanned photogrammetry; in this context, the author also proposes relevant calibration methods and verifies the performance of the entire setup. A significant portion of the presented research involves identifying new opportunities for the novel mapping method. Two of the potential applications are characterized thoroughly: Environmental mapping, namely, the determination of snow cover parameters, and robotic radiation search. These activities embody tasks where the system enables us to eliminate the human health risks associated with a concrete environment. The actual benefits and overall usability are assessed within real-world experiments.

Transformation of UAV Attitude and Position for Use in Direct Georeferencing

The direct georeferencing in aerial photogrammetry requires precise measurement of position and attitude of an image sensor, because the object point position is computed directly using this data. But for several reasons, data from onboard inertial navigation system can not be used for this purpose directly. Especially GNSS antenna displacement and image sensor misalignment have to be compensated and different rotation and coordinate system conventions have to be taken into account. This paper describes the transformations of onboard GNSS/INS data for the needs of the direct georeferencing and demonstrates it on a real UAV photogrammetric mission

Transformation of UAV Attitude and Position for Use in Direct Georeferencing

The direct georeferencing in aerial photogrammetry requires precise measurement of position and attitude of an image sensor, because the object point position is computed directly using this data. But for several reasons, data from onboard inertial navigation system can not be used for this purpose directly. Especially GNSS antenna displacement and image sensor misalignment have to be compensated and different rotation and coordinate system conventions have to be taken into account. This paper describes the transformations of onboard GNSS/INS data for the needs of the direct georeferencing and demonstrates it on a real UAV photogrammetric mission

Cooperation between an unmanned aerial vehicle and an unmanned ground vehicle in highly accurate localization of gamma radiation hotspots

This article discusses the highly autonomous robotic search and localization of radiation sources in outdoor environments. The cooperation between a human operator, an unmanned aerial vehicle, and an unmanned ground vehicle is used to render the given mission highly effective, in accordance with the idea that the search for potential radiation sources should be fast, precise, and reliable. Each of the components assumes its own role in the mission; the unmanned aerial vehicle (in our case, a multirotor) is responsible for fast data acquisition to create an accurate orthophoto and terrain map of the zone of interest. Aerial imagery is georeferenced directly, using an onboard sensor system, and no ground markers are required. The unmanned aerial vehicle can also perform rough radiation measurement, if necessary. Since the map contains three-dimensional information about the environment, algorithms to compute the spatial gradient, which represents the rideability, can be designed. Based on the primary aerial map, the human operator defines the area of interest to be examined by the applied unmanned ground vehicle carrying highly sensitive gamma-radiation probe/probes. As the actual survey typically embodies the most time-consuming problem within the mission, major emphasis is put on optimizing the unmanned ground vehicle trajectory planning; however, the dual-probe (differential) approach to facilitate directional sensitivity also finds use in the given context. The unmanned ground vehicle path planning from the pre-mission position to the center of the area of interest is carried out in the automated mode, similarly to the previously mentioned steps. Although the human operator remains indispensable, most of the tasks are performed autonomously, thus substantially reducing the load on the operator to enable them to focus on other actions during the search mission. Although gamma radiation is used as the demonstrator, most of the proposed algorithms and tasks are applicable on a markedly wider basis, including, for example, chemical, biological, radiological, and nuclear missions and environmental measurement tasks