Visual area coverage with collaborative autonomous aerial vehicles

The current thesis examines the problem of visual surveillance of a planar, convex region of interest by a fully autonomous, heterogeneous swarm of mobile aerial vehicles, equipped with Pan-Tilt-Zoom cameras of conical field of view and operating under GPS-induced 3D localization uncertainty. The...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Μπούσιας, Νικόλαος
Άλλοι συγγραφείς: Δερματάς, Ευάγγελος
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2019
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/12606
id nemertes-10889-12606
record_format dspace
spelling nemertes-10889-126062022-09-05T05:38:34Z Visual area coverage with collaborative autonomous aerial vehicles Οπτική καλυψιμότητα περιοχής με συνεργαζόμενα αυτόνομα ιπτάμενα οχήματα Μπούσιας, Νικόλαος Δερματάς, Ευάγγελος Μουστάκας, Κωνσταντίνος Τζες, Αντώνιος Bousias, Nikolaos Autonomous swarms Collaborative robotics Area coverage Decentralized control Muti-agent systems Sensor networks Εναέρια ρομπότ Οπτικοί αισθητήρες 629.892 637 The current thesis examines the problem of visual surveillance of a planar, convex region of interest by a fully autonomous, heterogeneous swarm of mobile aerial vehicles, equipped with Pan-Tilt-Zoom cameras of conical field of view and operating under GPS-induced 3D localization uncertainty. The proposed gradient-based collaborative control framework, serv- ing as trajectory generator, utilizes a computationally less strenuous Voronoi-free tessellation strategy to monotonically optimize the team’s collective visual coverage over the region of interest, both in terms of total monitored area and the quality of the acquired information. The designed distributed controllers of the flock consist of a multilevel structure, featuring inter- agent cooperation and system-specific trajectory tracking, thus offering significant flexibility regarding the physical implementation of the swarm. For the purposes of this thesis, a swarm of quadrotors is assumed, the dynamics of which are examined and an optimal, dual level (posture-orientation) controller for path following is designed. Multiple simulations where conducted in order to evaluate the efficiency and robustness/resilience of the proposed scheme in a variety of configurations. The required range of communications between the robots of the system is examined and a multi-hop, deterministic communication algorithm is offered. Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει το πρόβλημα της οπτικής καλυψιμότητας μιας κυρτής περιοχής ενδιαφέροντος από ένα αυτόνομο σμήνος εναέριων ρομπότ, εξοπλισμένων με PTZ οπτικούς αισθητήρες κωνικού FOV. Τα ρομπότ δρούν υπό συνθήκες αβεβαιότητας ως προς την τρισδιάστατη θέση τους στο χώρο. Το προτεινόμενο βαθμωτό πλαίσιο συνεργατικού ελέγχου, βασιζόμενο σε Voronoi-free στρατηγικές επιμερισμού της περιοχής ενδιαφέροντος σε κελιά ευθύνης, βελτιστοποιεί μονότονα τη συλλογική κάλυψη που παρέχει το σμήνος ως προς την συνολικά επιτηρούμενη επιφάνεια της περιοχής ενδιαφέροντος καθώς και την ποιότητα της λαμβανόμενης πληροφορίας. Το πλαίσιο ελέγχου δε παρέχει αφαιρετικότητα ως προς την φυσική υλοποίηση των πρακτόρων που απαρτίζουν το σμήνος, επιτρέποντας ετερογένεια/ευελιξία ως προς την σύνθεση του σμήνους και καθιστώντας το σύστημα επεκτάσιμο. Σχεδιάστηκαν επεκτάσεις των αποκεντρωμένων ελεγκτών που περιορίζουν την προβολή της τρισδιάστατης θέσης του κάθε πράκτορα στο χώρο επί του επιπέδου της περιοχής ενδιαφέροντος εντός αυτής και προσφέρουν χαρακτηριστικά αποφυγής συγκρούσεων μεταξύ των πρακτόρων του σμήνους παρά την αβεβαιότητα στον προδιορισμό της θέση τους. Οι προτεινόμενοι αποκεντρωμένοι νόμοι ελέγχου ενσωματώνονται σε μια αρχιτεκτονική ελέγχου δύο ιεραρχικών επιπέδων, με το δεύτερο επίπεδο να αποτελεί τον ελεγκτή που φέρει γνώση της δυναμικής του πράκτορα. Στα πλαίσια της παρούσης εργασίας, οι πράκτορες υλοποιούνται με quadrotors. Ως εκ τούτου, σχεδιάστηκε βέλτιστος ελεγκτής παρακολούθησης τροχιάς δύο βαθμίδων με αποσύζευξη μεταφορικών και περιστροφικών δυναμικών των πρακτόρων. Διεξήχθησαν προσομοιώσεις για την αξιολόγηση της απόδοσης του ανωτέρω σχεδιασμού. Μελετήθηκαν δε οι επικοινωνιακές ανάγκες ενός τέτοιου αποκεντρωμένου συστήματος. 2019-10-10T21:22:33Z 2019-10-10T21:22:33Z 2019-07-10 Thesis http://hdl.handle.net/10889/12606 en_US 0 application/pdf
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Autonomous swarms
Collaborative robotics
Area coverage
Decentralized control
Muti-agent systems
Sensor networks
Εναέρια ρομπότ
Οπτικοί αισθητήρες
629.892 637
spellingShingle Autonomous swarms
Collaborative robotics
Area coverage
Decentralized control
Muti-agent systems
Sensor networks
Εναέρια ρομπότ
Οπτικοί αισθητήρες
629.892 637
Μπούσιας, Νικόλαος
Visual area coverage with collaborative autonomous aerial vehicles
description The current thesis examines the problem of visual surveillance of a planar, convex region of interest by a fully autonomous, heterogeneous swarm of mobile aerial vehicles, equipped with Pan-Tilt-Zoom cameras of conical field of view and operating under GPS-induced 3D localization uncertainty. The proposed gradient-based collaborative control framework, serv- ing as trajectory generator, utilizes a computationally less strenuous Voronoi-free tessellation strategy to monotonically optimize the team’s collective visual coverage over the region of interest, both in terms of total monitored area and the quality of the acquired information. The designed distributed controllers of the flock consist of a multilevel structure, featuring inter- agent cooperation and system-specific trajectory tracking, thus offering significant flexibility regarding the physical implementation of the swarm. For the purposes of this thesis, a swarm of quadrotors is assumed, the dynamics of which are examined and an optimal, dual level (posture-orientation) controller for path following is designed. Multiple simulations where conducted in order to evaluate the efficiency and robustness/resilience of the proposed scheme in a variety of configurations. The required range of communications between the robots of the system is examined and a multi-hop, deterministic communication algorithm is offered.
author2 Δερματάς, Ευάγγελος
author_facet Δερματάς, Ευάγγελος
Μπούσιας, Νικόλαος
format Thesis
author Μπούσιας, Νικόλαος
author_sort Μπούσιας, Νικόλαος
title Visual area coverage with collaborative autonomous aerial vehicles
title_short Visual area coverage with collaborative autonomous aerial vehicles
title_full Visual area coverage with collaborative autonomous aerial vehicles
title_fullStr Visual area coverage with collaborative autonomous aerial vehicles
title_full_unstemmed Visual area coverage with collaborative autonomous aerial vehicles
title_sort visual area coverage with collaborative autonomous aerial vehicles
publishDate 2019
url http://hdl.handle.net/10889/12606
work_keys_str_mv AT mpousiasnikolaos visualareacoveragewithcollaborativeautonomousaerialvehicles
AT mpousiasnikolaos optikēkalypsimotētaperiochēsmesynergazomenaautonomaiptamenaochēmata
_version_ 1771297147453440000