Coordination on Systems of Multiple UAVs

Resumen

Esta tesis trata acerca de métodos para coordinar las trayectorias de un sistema de Vehículos Aéreos no Tripulados y Autónomos (en adelante UAVs). El primer conjunto de técnicas desarrolladas durante la tesis se agrupan dentro de las técnicas de planificación de trayectorias. En este caso, el objetivo es generar planes de vuelo para un conjunto de vehículos coordinadamente de forma que no se produzcan colisiones entre ellos. Además, este tipo de técnicas puede usarse para modificar el plan de vuelo de un subconjunto de UAVs en tiempo real. Entre los algoritmos desarrollados en la tesis podemos destacar la adaptación de algoritmos evolutivos como los Algoritmos Genéticos y el Particle Swarm (Enjambre de Partículas), la incorporación de nuevas formas de muestreo del espacio para la aplicación del algoritmo Optimal Rapidly Exploring Random Trees (RRT*) en sistemas multi-UAV usando técnicas de muestreo novedosas. También se ha estudiado el comportamiento de parte de estos algoritmos en situaciones variables de incertidumbre del estado del sistema. En particular, se propone el uso del Filtro de Partículas para estimar la posición relativa entre varios UAVs. Además, se estudia la aplicación de métodos reactivos para la resolución de colisiones en tiempo real. Esta tesis propone un nuevo algoritmo para la resolución de colisiones entre múltiples UAVs en presencia de obstáculos fijos llamado G-ORCA. Este algoritmo soluciona varios problemas que han surgido al aplicar el algoritmo ORCA en su variante 3D en sistemas compuestos por vehículos reales. Su seguridad se ha demostrado tanto analíticamente, como empíricamente en pruebas con sistemas reales. De hecho, durante esta tesis numerosos experimentos en sistemas multi-UAV reales compuestos hasta por 4 UAVs han sido ejecutados. En dichos experimentos, se realiza una coordinación autónoma de UAVs en las que se asegura la ejecución de trayectorias libres de colisiones garantizando por tanto la seguridad del sistema. Una característica reseñable de esta tesis es que los algoritmos desarrollados han sido probados e integrados en sistemas más complejos que son usados en aplicaciones reales. En primer lugar, se presenta un sistema para aumentar la duración del vuelo de planeadores aprovechando las corrientes ascendentes de viento generadas por el calor (térmicas). En segundo lugar, un sistema de detección y resolución de colisiones coordinado para sistemas con múltiples UAVs reactivo ha sido diseñado, desarrollado y probado experimentalmente. Este sistema ha sido integrado dentro de un sistema automático de construcción de estructuras mediante múltiples UAVs.