Distributed approach for coverage and patrolling missions with a team of heterogeneous aerial robots under communication constraints

Using aerial robots in area coverage applications is an emerging topic. These applications need a coverage path planning algorithm and a coordinated patrolling plan. This paper proposes a distributed approach to coordinate a team of heterogeneous UAVs cooperating efficiently in patrolling missions around irregular areas, with low communication ranges and memory storage requirements. Hence it can be used with small‐scale UAVs with limited and different capabilities. The presented system uses a modular architecture and solves the problem by dividing the area between all the robots according to their capabilities. Each aerial robot performs a decomposition based algorithm to create covering paths and a ’one‐to‐one’ coordination strategy to decide the path segment to patrol. The system is decentralized and fault‐tolerant. It ensures a finite time to share information between all the robots and guarantees convergence to the desired steady state, based on the maximal minimum frequency criteria. A set of simulations with a team of quad‐rotors is used to validate the approach

An efficient distributed area division method for cooperative monitoring applications with multiple uavs

This article addresses the area division problem in a distributed manner providing a solution for cooperative monitoring missions with multiple UAVs. Starting from a sub-optimal area division, a distributed online algorithm is presented to accelerate the convergence of the system to the optimal solution, following a frequency-based approach. Based on the “coordination variables” concept and on a strict neighborhood relation to share information (left, right, above and below neighbors), this technique defines a distributed division protocol to determine coherently the size and shape of the sub-area assigned to each UAV. Theoretically, the convergence time of the proposed solution depends linearly on the number of UAVs. Validation results, comparing the proposed approach with other distributed techniques, are provided to evaluate and analyze its performance following a convergence time criterion.European Union’s Horizon 2020 AERIAL-CORE Project Grant 871479CDTI (sPAIN) “Red Cervera” Programme iMOV3D Spanish R&D projec

An aerial robot path follower based on the ’Carrot chasing’ algorithm

This paper presents a three-dimensional path follower implementation for an aerial robot based on the carrot-chasing algorithm. The main objective was to improve the performance of the position controller of the PX4 autopilot when following a list of waypoints. This autopilot is widely used in the aerial robotics community, but we needed to improve its performance for navigation in cluttered environments. Different simulations have been carried out under the ROS (Robotic Operating System) environment for the comparison between the position controller of the PX4 and the proposed path follower. In addition, we have implemented different modes to generate the path from the input list of waypoints that are also analyzed in our simulation environment

Introducing autonomous aerial robots in industrial manufacturing

Although ground robots have been successfully used for many years in manufacturing, the capability of aerial robots to agilely navigate in the often sparse and static upper part of factories makes them suitable for performing tasks of interest in many industrial sectors. This paper presents the design, development, and validation of a fully autonomous aerial robotic system for manufacturing industries. It includes modules for accurate pose estimation without using a Global Navigation Satellite System (GNSS), autonomous navigation, radio-based localization, and obstacle avoidance, among others, providing a fully onboard solution capable of autonomously performing complex tasks in dynamic indoor environments in which all necessary sensors, electronics, and processing are on the robot. It was developed to fulfill two use cases relevant in many industries: light object logistics and missing tool search. The presented robotic system, functionalities, and use cases have been extensively validated with Technology Readiness Level 7 (TRL-7) in the Centro Bahía de C´ adiz (CBC) Airbus D&S factory in fully working conditions.Comisión Europea 60884Horizonte 2020 (Unión Europea) 871479Plan Nacional de I+D+I DPI2017-8979-

Procedures for the Integration of Drones into the Airspace Based on U-Space Services

A safe integration of drones into the airspace is fundamental to unblock the potential of drone applications. U-space is the drone traffic management solution for Europe, intended to handle a large number of drones in the airspace, especially at very low level (VLL). This paper presents the procedures we have designed and tested in real flights in the SAFEDRONE European project to pave the way for a safe integration of drones into the airspace using U-space services. We include three important aspects: Design of procedures related to no-fly zones, ensure separation with manned aircraft, and autonomous non-cooperative detect-and-avoid (DAA) technologies. A specific U-space architecture has been designed and implemented for flight campaigns with up to eight drones with different configurations and a manned aircraft. From this experience, specific recommendations about procedures to exit and avoiding no-fly zones are presented. Additionally, it has been concluded that the use of surveillance information of manned aircraft will allow a more efficient use of the airspace while maintaining a proper safety level, avoiding the creation of large geofence areas.Programa Horizonte 2020. Unión Europea 78321

Cooperation of multiple heterogeneous aerial robots in surveillance missions

Falta palabras claveEsta Tesis está dedicada al desarrollo de técnicas que permitan aplicar de forma eficiente un equipo de robots aéreos en misiones de vigilancia, teniendo en cuenta tres objetivos principales: detectar nuevos eventos o intrusos que aparezcan en el área vigilada, informar sobre los nuevos eventos detectadas al resto del equipo y decidir qué hacer con esos nuevos eventos detectados en base a las capacidades y estados de los robots aéreos. Esta Tesis no se centra en problemas de bajo nivel tales como el control del movimiento de los robots, enlaces de comunicación o detección de evento basado en visión. Por contra, la Tesis se dedica a la coordinación distribuida y descentralizada de los robots aéreos. Usar múltiples robots aéreos ofrece muchas ventajas para aplicaciones de vigilancia y monitorización cuando se compara con el uso de un único robot aéreo, pero ello supone un relevante desafío a superar: la coordinación de todos los robots para que puedan cooperar en la misión. Sin embargo, empleando un sistema centralizado, la solución sería menos robusta a fallos, menos dinámica y menos escalable. Además, sería necesario un canal de comunicación continuamente abierto entre todos los robots, que normalmente no puede asegurarse. Por lo tanto, un sistema distribuido es una solución más adecuada para conseguir la cooperación de todos los robots en este tipo de aplicaciones. En primer lugar, se necesita definir un criterio para patrullar el área vigilada de manera que se maximice la cantidad de eventos detectados. Suponiendo que no hay información acerca de cuándo y dónde pueden aparecer los eventos o intrusos, la solución más eficiente sería maximizar la frecuencia con la que cualquier posición del área vigilada es monitorizada por algún robot aéreo. Esto es equivalente a minimizar el tiempo de refresco o tiempo entre cada par de visitas consecutivas a cada posición dentro del área. Se distingue entre tres tipos de estrategias cooperativas para enfocar el problema desde un criterio basado en el tiempo de refresco: estrategias cíclicas, estrategias de partición de camino y estrategias de partición de área. Las estrategias de partición (tanto la de camino como la de área) son las más adecuadas para este tipo de aplicaciones porque aseguran la propagación de la información entre todos los robots, incluso en condiciones de comunicaciones limitadas. Esto se relaciona con el objetivo de informar sobre nuevos eventos a todos los robots. Además, aprovecha las capacidades diferentes de los robots heterogéneos en la solución. Se proponen principalmente dos técnicas de coordinación para conseguir que el sistema multi-robot converja a la estrategia de partición deseada (camino o área) de manera distribuida: las basadas en la coordinación “uno-a-uno” (one-to-one) y la basada en las “variables de coordinación” (coordination variables). Los algoritmos basados en la coordinación “uno-a-uno” necesitan que los robots almacenen menos información que los basados en las “variables de coordinación”. Sin embargo, aunque ambos algoritmos convergen a la estrategia de partición, el tiempo de convergencia del algoritmo basado en la coordinación “uno-a-uno” aumenta de manera cuadrática con el número de robots aéreos, mientras que el del basado en “variables de coordinación” lo hace de manera lineal. Por otra parte, ambos algoritmos son totalmente escalables y robustos a fallos de robos y cambios en las condiciones iniciales del problema. En segundo lugar, como la información sobre los eventos detectados se ha propagado entre todos los robots aéreos, el objetivo es decidir cómo actuar ante estos eventos de manera distribuida. Normalmente, para misiones de vigilancia y monitorización, esto implica decidir qué robot aéreo debería ir a la posición donde está ocurriendo para gestionarlo (apagando un fuego, recogiendo basura, midiendo radioactividad o contaminación, siguiendo un intruso, etc.) en base al estado y características de los eventos y al estado y capacidades de los robots. Por lo tanto, se define un problema distribuido de asignación de tareas. En esta Tesis se propone el diseño de métodos de asignación de tareas dinámicos basados en las técnicas de coordinación distribuida propuestas antes: coordinación uno-a-uno y variables de coordinación