On-board visual control algorithms for unmanned aerial vehicles

Abstract

espanolEl objetivo de esta tesis, es el de utilizar la gran cantidad de informacion que los sistemas de vision proveen, con el objetivo de disenar sistemas de guiado visual para vehiculos aereos no tripulados (UAVs por sus siglas en Ingles). Este trabajo va mas alla del uso tradicional de sistemas visuales en UAVs, de ser simples ojos en el cielo, demostrando que un sensor visual provee suficiente informacion confiable y robusta, que puede ser empleada para el diseno de diferentes aplicaciones y sistemas de control, manteniendo una precision y desempeno similar o en algunos casos mayor a los demandados en otros sensores de control usualmente empleado en este tipo de sistemas. Este trabajo, presenta en primera medida, como algunos de los algoritmos pioneros para el procesamiento de imagenes, son robusta y eficientemente implementados a bordo de Vehiculos Aereos no tripulados y luego utilizados para la estimacion de diversas transformaciones proyectivas. Estas transformaciones (incluyendo las homografias), son empleadas para el procesamiento y mejoramiento de imagenes aereas, presentando en primera medida un sistema de estabilizacion de video en tiempo real al igual que un metodo para la generacion de mosaicos. Por otra parte, las propiedades de las transformaciones proyectivas, son empleadas para el desarrollo de un nuevo sistema de medicion de posicion en el espacio tridimensional, permitiendo obtener la informacion metrica de la posicion al igual que la orientacion de la camara (y el vehiculo aereo) con respecto a un plano de referencia. La informacion metrica de la posicion y orientacion obtenida mediante la descomposicion de la homografia, es empleada para generar un sistema de control de alto nivel del tipo desacoplado y que es basado en la posicion, el cual presenta un excelente desempeno ante la dinamica no holonomica de un vehiculo aereo no tripulado del tipo ala rotatoria, al igual que una gran robustez con respecto a los problemas comunmente presentes en imagenes aereas, como lo son las altas vibraciones y los constantes cambios de iluminacion, al igual que los cambios de posicion o las oclusiones de las referencias visuales empleadas, entre otros. Esta contribucion es luego empleada para el control de un UAV en tareas como el aterrizaje autonomo y posicionamiento estatico de precision. Las estrategias de control desacopladas, tambien son empleadas para el diseno de un controlador visual basado en la imagen, en un novedoso sistemas empleado para el seguimiento de objetos aereos moviles. En este sistema, el analisis de la interaccion entre las referencias visuales y los grados de libertad del sistema es empleada para reducir los complejidad del diseno y ajuste del controlador visual dadas por la dinamica del vehiculo aereo. Resumen: Esta tesis tambien presenta como los sistemas de vision omnidireccional son empleados para estimar la actitud de vuelo del vehiculo aereo al igual que para el diseno de un compas visual. El metodo propuesto, que opera en tiempo real y se basa en las propiedades de la teoria unificada para camaras del tipo catadioptrico, es empleado para generar un sensor de actitud de vuelo basado en la segmentacion de la linea del horizonte y del movimiento entre imagenes consecutivas. Finalmente, las propiedades de los sistemas de control del alto nivel y del tipo desacoplados, al igual que de los sistemas de vision omnidireccional son integradas con el animo de genera un novedoso metodo para la evasion de colisiones aereas. Esta contribucion en el area de Observar y Evadir emplea una arquitectura de control visual desacoplado, disenador directamente en el es espacio de trabajo de la esfera unitaria, permitiendo integrar las propiedades y ventajas de el gran angulo de vision de los sistemas de vision omnidireccional en el diseno de sistemas de control visual para Vehiculos Aereos no tripulados. Los diversos metodos propuestos han sido probados y validados en vuelos reales utilizando vehiculos aereos no tr