Flight coordination solutions for multirotor unmanned aerial vehicles

[EN] As the popularity and the number of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) increases, new protocols are needed to coordinate them when flying without direct human control, and to avoid that these UAVs collide with each other. Testing such novel protocols on real UAVs is a complex procedure that requires investing much time, money and research efforts. Hence, it becomes necessary to first test the developed solutions using simulation. Unfortunately, existing tools present significant limitations: some of them only simulate accurately the flight behavior of a single UAV, while some other simulators can manage several UAVs simultaneously, but not in real time, thus losing accuracy regarding the mobility pattern of the UAV. In this work we address such problem by introducing Arducopter Simulator (ArduSim), a novel simulation platform that allows controlling in soft real-time the flight and communications of multiple UAVs, being the developed protocols directly portable to real devices. Moreover, ArduSim includes a realistic model for the WiFi communications link between UAVs, which was proposed based on real experiments. The chances that two UAVs get close to each other during their flights is increasing as more and more of them populate our skies, causing concerns regarding potential collisions. Therefore, this thesis also proposes the Mission Based Collision Avoidance Protocol (MBCAP), a novel UAV collision avoidance protocol applicable to all types of multicopters flying autonomously. It relies on wireless communications in order to detect nearby UAVs, and to negotiate the procedure to avoid any potential collision. Experimental and simulation results demonstrate the validity and effectiveness of the proposed solution, which typically introduces a small overhead in the range of 15 to 42 seconds for each risky situation successfully handled. The previous solution aims at UAVs performing independent flights, but they can also form a swarm, where more constraints have to be met to avoid collisions among them, and to allow them to complete their task efficiently. Deploying an UAV swarm instead of a single UAV can provide additional benefits when, for example, cargo carrying requirements exceed the lifting power of a single UAV, or when the deployment of several UAVs simultaneously can accelerate the accomplishment of the mission, and broaden the covered area. To this aim, in this work we present the Mission-based UAV Swarm Coordination Protocol (MUSCOP), a solution that allows multiple UAVs to perfectly coordinate their flight when performing planned missions. Experimental results show that the proposed protocol is able to achieve a high degree of swarm cohesion independently of the flight formation adopted, and even in the presence of very lossy channels, achieving minimal synchronization delays and very low position offsets with regard to the ideal case. Currently, there are some other scenarios, such as search and rescue operations, where the deployment of manually guided swarms of UAVs can be necessary. In such cases, the pilot's commands are unknown a priori (unpredictable), meaning that the UAVs must respond in near real-time to the movements of the leader UAV in order to maintain swarm consistency. Hence, in this thesis we also propose the FollowMe protocol for the coordination of UAVs in a swarm where the swarm leader is controlled by a real pilot, and the other UAVs must follow it in real-time to maintain swarm cohesion. Simulation results show the validity of the proposed swarm coordination protocol, detailing the responsiveness limits of our solution, and finding the minimum distances between UAVs to avoid collisions.[ES] A medida que la popularidad de los Vehículos Aéreos No Tripulados (VANTs) se incrementa, también se hacen necesarios nuevos protocolos para coordinarlos en vuelos sin control humano directo, y para evitar que colisionen entre sí. Probar estos nuevos protocolos en VANTs reales es un proceso complejo que requiere invertir mucho tiempo, dinero y esfuerzo investigador. Por lo tanto, es necesario probar en simulación las soluciones previamente implementadas. Lamentablemente, las herramientas actuales tienen importantes limitaciones: algunas simulan con precisión el vuelo de un único VANT, mientras que otros simuladores pueden gestionar varios VANTs simultáneamente aunque no en tiempo real, perdiendo por lo tanto precisión en el patrón de movilidad del VANT. En este trabajo abordamos este problema introduciendo Arducopter Simulator (ArduSim), una nueva plataforma de simulación que permite controlar en tiempo real el vuelo y la comunicación entre múltiples VANTs, permitiendo llevar los protocolos desarrollados a dispositivos reales con facilidad. Además, ArduSim incluye un modelo realista de un enlace de comunicaciones WiFi entre VANTs, el cual está basado en el resultado obtenido de experimentos con VANTs reales. La posibilidad de que dos VANTs se aproximen entre sí durante el vuelo se incrementa a medida que hay más aeronaves de este tipo surcando los cielos, introduciendo peligro por posibles colisiones. Por ello, esta tesis propone Mission Based Collision Avoidance Protocol (MBCAP), un nuevo protocolo de evitación de colisiones para VANTs aplicable a todo tipo de multicópteros mientras vuelan autónomamente. MBCAP utiliza comunicaciones inalámbricas para detectar VANTs cercanos y para negociar el proceso de evitación de la colisión. Los resultados de simulaciones y experimentos reales demuestran la validez y efectividad de la solución propuesta, que introduce un pequeño aumento del tiempo de vuelo de entre 15 y 42 segundos por cada situación de riesgo correctamente resuelta. La solución anterior está orientada a VANTs que realizan vuelos independientes, pero también pueden formar un enjambre, donde hay que cumplir más restricciones para evitar que colisionen entre sí, y para que completen la tarea de forma eficiente. Desplegar un enjambre de VANTs en vez de uno solo proporciona beneficios adicionales cuando, por ejemplo, la necesidad de carga excede la capacidad de elevación de un único VANT, o cuando al desplegar varios VANTs simultáneamente se acelera la misión y se cubre un área mayor. Con esta finalidad, en este trabajo presentamos el protocolo Mission-based UAV Swarm Coordination Protocol (MUSCOP), una solución que permite a varios VANTs coordinar perfectamente el vuelo mientras realizan misiones planificadas. Los resultados experimentales muestran que el protocolo propuesto permite al enjambre alcanzar un grado de cohesión elevado independientemente de la formación de vuelo adoptada, e incluso en presencia de un canal de comunicación con muchas pérdidas, consiguiendo retardos en la sincronización insignificantes y desfases mínimos en la posición con respecto al caso ideal. Actualmente hay otros escenarios, como las operaciones de búsqueda y rescate, donde el despliegue de enjambres de VANTs guiados manualmente puede ser necesario. En estos casos, las órdenes del piloto son desconocidas a priori (impredecibles), lo que significa que los VANTs deben responder prácticamente en tiempo real a los movimientos del VANT líder para mantener la consistencia del enjambre. Por ello, en esta tesis proponemos el protocolo FollowMe para la coordinación de VANTs en un enjambre donde el líder es controlado por un piloto, y el resto de VANTs lo siguen en tiempo real para mantener la cohesión del enjambre. Las simulaciones muestran la validez del protocolo de coordinación de enjambres propuesto, detallando los límites de la solución, y definiendo la distancia mínima entre VANTs para evita[CA] A mesura que la popularitat dels Vehicles Aeris No Tripulats (VANTs) s'incrementa, també es fan necessaris nous protocols per a coordinar-los en vols sense control humà directe, i per a evitar que col·lisionen entre si. Provar aquests nous protocols en VANTs reals és un procés complex que requereix invertir molt de temps, diners i esforç investigador. Per tant, és necessari provar en simulació les solucions prèviament implementades. Lamentablement, les eines actuals tenen importants limitacions: algunes simulen amb precisió el vol d'un únic VANT, mentre que altres simuladors poden gestionar diversos VANTs simultàniament encara que no en temps real, perdent per tant precisió en el patró de mobilitat del VANT. En aquest treball abordem aquest problema introduint Arducopter Simulator (ArduSim), una nova plataforma de simulació que permet controlar en temps real el vol i la comunicació entre múltiples VANTs, permetent portar els protocols desenvolupats a dispositius reals amb facilitat. A més, ArduSim inclou un model realista d'un enllaç de comunicacions WiFi entre VANTs, que està basat en el resultat obtingut d'experiments amb VANTs reals. La possibilitat que dues VANTs s'aproximen entre si durant el vol s'incrementa a mesura que hi ha més aeronaus d'aquest tipus solcant els cels, introduint perill per possibles col·lisions. Per això, aquesta tesi proposa Mission Based Collision Avoidance Protocol (MBCAP), un nou protocol d'evitació de col·lisions per a VANTs aplicable a tota mena de multicòpters mentre volen autònomament. MBCAP utilitza comunicacions sense fils per a detectar VANTs pròxims i per a negociar el procés d'evitació de la col·lisió. Els resultats de simulacions i experiments reals demostren la validesa i efectivitat de la solució proposada, que introdueix un xicotet augment del temps de vol de entre 15 i 42 segons per cada situació de risc correctament resolta. La solució anterior està orientada a VANTs que realitzen vols independents, però també poden formar un eixam, on cal complir més restriccions per a evitar que col·lisionen entre si, i perquè completen la tasca de forma eficient. Desplegar un eixam de VANTs en comptes d'un només proporciona beneficis addicionals quan, per exemple, la necessitat de càrrega excedeix la capacitat d'elevació d'un únic VANT, o quan en desplegar diversos VANTs simultàniament s'accelera la missió i es cobreix una àrea major. Amb aquesta finalitat, en aquest treball presentem el protocol Mission-based UAV Swarm Coordination Protocol (MUSCOP), una solució que permet a diversos VANTs coordinar perfectament el vol mentre realitzen missions planificades. Els resultats experimentals mostren que el protocol proposat permet a l'eixam aconseguir un grau de cohesió elevat independentment de la formació de vol adoptada, i fins i tot en presència d'un canal de comunicació amb moltes pèrdues, aconseguint retards en la sincronització insignificants i desfasaments mínims en la posició respecte al cas ideal. Actualment hi ha altres escenaris, com les operacions de cerca i rescat, on el desplegament d'eixams de VANTs guiats manualment pot ser necessari. En aquests casos, les ordres del pilot són desconegudes a priori (impredictibles), el que significa que els VANTs han de respondre pràcticament en temps real als moviments del VANT líder per a mantindre la consistència de l'eixam. Per això, en aquesta tesi proposem el protocol FollowMe per a la coordinació de VANTs en un eixam on el líder és controlat per un pilot, i la resta de VANTs ho segueixen en temps real per a mantindre la cohesió de l'eixam. Les simulacions mostren la validesa del protocol de coordinació d'eixams proposat, detallant els límits de la solució, i definint la distància mínima entre VANTs per a evitar col·lisions.Fabra Collado, FJ. (2020). Flight coordination solutions for multirotor unmanned aerial vehicles [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/147857TESI

Desarrollo, evaluación y modelado de un sistema de comunicaciones para multicópteros

[ES] El uso de multicópteros se está extendiendo rápidamente debido a los muchos campos de aplicación que tienen, por lo que cada vez más hay riegos de colisión entre estos aparatos. Además, se están empezando a proponer soluciones donde enjambres de multicópteros logren solucionar problemas más complejos mediante cooperación. Ambos casos requieren que dichos multicópteros se comuniquen entre ellos para coordinar sus trayectorias, algo que actualmente aún se está realizando solo a nivel experimental, por lo que cabe realizar más estudios para averiguar cuál sería la tecnología de comunicación más idónea, y cuáles son los factores que afectan a las prestaciones. El principal objetivo de este proyecto es el desarrollo de un entorno que permita estudiar las comunicaciones entre multicópteros. Para eso se han modificado multicópteros existentes para dotarlos de comunicaciones inalámbricas, así como para permitir comunicar con el sistema de navegación de cara a obtener los parámetros de vuelo en todo momento. El principal elemento desarrollado ha sido una aplicación distribuida que permite el análisis de la calidad del enlace de comunicaciones entre dos drones conectados mediante una red WiFi Ad-hoc, la cual registra no solo la tasa de pérdida en el canal, sino también las posiciones de los drones y demás parámetros de vuelo. Como complemento a la herramienta propuesta, se han desarrollado una serie de scripts que permiten automatizar el análisis de datos y la generación de gráficas, para permitir detectar y cuantificar la influencia que pueden ejercer distintos factores ambientales y parámetros de configuración en la calidad del enlace. La aplicación está completada en su totalidad y ha sido probada en campo, permitiendo constatar la influencia de la distancia entre los drones, la velocidad de rotación de los motores y el tamaño de los paquetes de datos en la calidad del enlace de comunicación. Además, el estudio realizado ha permitido también hallar conclusiones interesantes: dado que los actuales mandos de control remoto trabajan en la banda de los 2,4 GHz, interfieren con la señal WiFi en esta banda y tienen un impacto importante en las prestaciones, por lo que se recomienda utilizar la banda de los 5,9 GHz.[EN] The use of multicopters is spreading rapidly due to their wide scope of application. This means that, as time goes by, the risk of collision between these devices significantly encreases. Moreover, solutions where swarms of multicopters are used to solve more complex problems through cooperation are being proposed. Both cases require multicopters to communicate among them to coordinate their flight, something that is only being done at an experimental level at this moment. Thus, so more studies are required to determine which would be the most appropriate communication technology, and which are the factors affecting performance. The main objective of this project is to develop an environment that allows studying the communications among multicopters. For that purpose, existing multicopters have been modified to provide them wireless communication capabilities, and to make them able to communicate with the navigation system to retrieve flight parameters at any time. The main element developed was a distributed application that allows analysing the quality of the communication link between two drones connected by means of an WiFi-based ad-hoc network, and that records not only the packet loss ratio, but also the drone’s position and other flight parameters. As a complement to the proposed tool, a set of scripts that allow automating the data analysis and graphics generation were developed, thereby allowing to detect and quantify the influence that different environmental factors and configuration parameters have on link quality. The application has reached its final development status and has been field tested, allowing to study the influence of the distance between the drones, the engine rotational speed and the packet size in the communication’s link quality. Moreover, the study has also allowed to draw interesting conclusions: since most radio remote controllers work in the 2.4 GHz band, they strongly interfere with the WiFi signal in this band, and thus have a significant impact on performance, and so we recommend using the 5.9 GHz bandFabra Collado, FJ. (2016). Desarrollo, evaluación y modelado de un sistema de comunicaciones para multicópteros. http://hdl.handle.net/10251/69274.TFG

Sistema anti-colisiones para multicópteros basado en comunicaciones inalámbricas

[EN] The use of multicopters is spreading rapidly due to their wide scope of application. This means that, as time goes by, the risk of collision between these devices significantly increases. Moreover, solutions where swarms of multicopters are used to solve more complex problems through cooperation are being proposed. Both cases require multicopters to communicate among them to coordinate their flight, something that is only being done at an experimental level at this moment. The main objective of this project is to develop a simulation environment to design communication protocols among multicopters, enabling collaboration among them. The simulator will permit to analyse the implemented protocols with no need for field tests, which will reduce the implementation time and the risk of damage on multicopters. Field tests have been made to analyse the packet loss according to the distance between multicopters to properly emulate the communications link. As reference, a WiFi Ad-hoc link in the 5 GHz band has been used. The simulator has reached its final development status, and is completely stable with up to six multicopters running at the same time. The application scalability is limited due to the use of virtual machines, but a few changes in its design will allow scaling it significantly in the future. The development of a collision avoidance solution among multicopters has been the first use of the simulator. Experiments show that the collision avoidance protocol is robust enough, as it has avoided collisions on all the tests that have been done.En este proyecto se propone desarrollar un protocolo anti-colisiones para drones. El protocolo se basa en comunicaciones inalámbricas ad-hoc entre los drones para que éstos puedan intercambiar periódicamente su ubicación y ruta para detectar posibles problemas. En caso de que se detecten trayectorias de colisión, ambos drones deberán automáticamente modificar su ruta para evitar la colisión. Para el desarrollo se incluye la implementación de un simulador de drones en el que evaluar el protocolo.Fabra Collado, FJ. (2017). Sistema anti-colisiones para multicópteros basado en comunicaciones inalámbricas. http://hdl.handle.net/10251/86101TFG

Efficient and coordinated vertical takeoff of UAV swarms

[EN] As we witness the unrelenting growth of the UAV sector, novel and more sophisticated applications keep emerging every year, with many more in the horizon. Among these, applications that require the adoption of UAV swarms are among the most complex, as deploying swarms requires the interaction and cooperation of all the UAVs involved, which can become quite challenging. In this work we specifically focus on the swarm takeoff procedure for UAVs of the Vertical Take-Off and Landing (VTOL) type, proposing a heuristic that achieves reduced computing overhead while introducing near-optimal assignments of UAV positions in the swarm formation selected. Such heuristic is complemented by an efficient and collision-free takeoff approach that relies on adequate ordering and inter- UAV communications to achieve a sequential phased takeoff. A large number of experiments using our own ArduSim emulation platform, which is totally compatible with real drone code, evidence the improvements achieved in terms of time overhead and safety when compared to both ideal and agnostic approaches.This work was partially supported by the Ministerio de Ciencia, Innovacion y Universidades, Programa Estatal de Investigacion, Desarrollo e Innovacion Orientada a los Retos de la Sociedad, Proyectos I+D+I 2018, Spain, under Grant RTI2018-096384-B-I00.Fabra Collado, FJ.; Wubben, J.; Tavares De Araujo Cesariny Calafate, CM.; Cano, J.; Manzoni, P. (2020). Efficient and coordinated vertical takeoff of UAV swarms. IEEE. 1-5. https://doi.org/10.1109/VTC2020-Spring48590.2020.9128488S1

Automatic system supporting multicopter swarms with manual guidance

[EN] Currently, there are some scenarios, such as search and rescue operations,where the deployment of manually guided swarms of UAVs can be necessary. In such cases, the pilot's commands are unknown a priori (unpredictable), meaning that the UAVs must respond in near real time to the movements of the leader UAV in order to maintain swarm consistency. In this paper we develop a protocol for the coordination of UAVs in a swarm where the swarm leader is controlled by a real pilot, and the other UAVs must follow it in real time to maintain swarm cohesion. We validate our solution using a realistic simulation software that we developed (ArduSim), testing flights with multiple numbers of UAVs and different swarm configurations. Simulation results show the validity of the proposed swarm coordination protocol, detailing the responsiveness limits of our solution, and finding the minimum distances between UAVs to avoid collisions.This work was partially supported by the "Programa Estatal de Investigation, Desarrollo e Innovation Orientada a Retos de la Sociedad, Proyecto TEC2014-52690-R", Spain, the "Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabi," and the "Programa de Becas SENESCYT de la Republica del Ecuador."Fabra Collado, FJ.; Zamora, W.; Masanet, J.; Tavares De Araujo Cesariny Calafate, CM.; Cano, J.; Manzoni, P. (2019). Automatic system supporting multicopter swarms with manual guidance. Computers & Electrical Engineering. 74:413-428. https://doi.org/10.1016/j.compeleceng.2019.01.0264134287

MUSCOP: Mission-Based UAV Swarm Coordination Protocol

[EN] Nowadays, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have become the preferred, and sometimes the only support tool when facing critical scenarios such as earthquakes, search and rescue missions, and border surveillance. In these scenarios, deploying a UAV swarm instead of a single UAV can provide additional benefits when, for example, cargo carrying requirements exceed the lifting power of a single UAV, or when the deployment of several UAVs simultaneously can accelerate the accomplishment of the mission, and broaden the covered area. To this aim, in this paper we present MUSCOP, a protocol that allows multiple UAVs to perfectly coordinate their flight when performing planned missions. Experimental results show that the proposed protocol is able to achieve a high degree of swarm cohesion independently of the swarm formation adopted, and even in the presence of very lossy channels, achieving minimal synchronization delays and very low position offsets with regard to the ideal case.This work was supported in part by the Ministerio de Ciencia, Innovacion y Universidades, Programa Estatal de Investigacion, Desarrollo e Innovacion Orientada a los Retos de la Sociedad, Proyectos I+D+I 2018, Spain, under Grant RTI2018-096384-B-I00, and in part by the Universitat Politecnica de Valencia (UPV) for the training of Ph.D. researchers under Grant FPI-2017-S1.Fabra Collado, FJ.; Zamora, W.; Reyes, P.; Sangüesa, JA.; Tavares De Araujo Cesariny Calafate, CM.; Cano, J.; Manzoni, P. (2020). MUSCOP: Mission-Based UAV Swarm Coordination Protocol. IEEE Access. 8:72498-72511. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2987983S7249872511

Toward secure, efficient, and seamless reconfiguration of UAV swarm formations

[EN] Unmanned Aerial vehicles (UAVs) have gained a lot of interest over the last years due to the many fields of potential application. Nowadays, researchers are becoming interested in groups of UAVs working together. The collaborations between UAVs open a wide field of opportunities, because they are typically able to do more sophisticated tasks than a single UAV. However, collaboration between multiple UAVs is still a complex task, and significant challenges need to be addressed before their mainstream adoption. For instance, the automatic reconfiguration of a swarm can be used to adapt the swarm to changing application demands to solve a task in a more efficient and effective manner. However, the chances of collision become high if reconfiguration is not carefully planned. In this work we propose an approach to allow changing the shape of a UAV formation during flight through a computational inexpensive method that is able to decrease collision chances significantly. During the experiments we tested different reconfiguration events that are prone to collisions. Results have shown that our approach maintains a safe distance (greater than 5 meters) between the UAVs, while keeping the time overhead limited to a few tenths of a second. Furthermore, scalability tests have proven that our approach can handle the reconfiguration of at least 25 UAVs simultaneously.This work was partially supported by the Ministerio de Ciencia, Innovacion y Universidades, Programa Estatal de Investigacion, Desarrollo e Innovacion Orientada a los Retos de la Sociedad, Proyectos I+D+I 2018, Spain, under Grant RTI2018-096384-B-I00.Wubben, J.; Aznar, P.; Fabra Collado, FJ.; Tavares De Araujo Cesariny Calafate, CM.; Cano, J.; Manzoni, P. (2020). Toward secure, efficient, and seamless reconfiguration of UAV swarm formations. IEEE. 1-7. https://doi.org/10.1109/DS-RT50469.2020.9213669S1