Optical flow-based navigation of an unmanned aerial vehicle

• Auteur / Autrice : Eduardo Rondon Sallan
• Direction : Isabelle Fantoni-Coichot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Technologies de l'information et des systèmes
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Compiègne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Drones

Commande automatique

Systèmes de commande (vol)

Rotors (hélicoptères)

Navigation (aéronautique)

Optique

Mots clés libres

Flux optique

Véhicules aériens autonomes

Commande basée sur la vision

Voilures tournantes

Résumé

Cette thèse s'est concentrée dans la conception des stratégies de navigation basées sur la vision, pour un véhicule aérien a voilure tournante dote de quatre moteurs. La première étape de cette étude a été la conception d'un véhicule aérien parfaitement adapte aux exigences relatives a la navigation basée sur la vision. Ensuite, les problématiques liées a la stabilisation et la régulation de la vitesse ont été abordées. A cette fin, nous avons développé un système de vision qui permet d'estimer l'altitude, la position latérale et la vitesse d'avancement du véhicule. Nous montrons que l'information visuelle permet la construction des stratégies de commande adaptées à différents types de modes de vol. Une stratégie hiérarchique a été élaborée et implémentée. Les résultats expérimentaux montrent que l'hélicoptère est capable de réaliser des vols autonomes, validant ainsi les algorithmes de vision et la loi de commande. Toutefois, pour être considère comme totalement autonome, le véhicule aérien doit être capable de surmonter tous les changements inattendus dans son environnement. Ceci peut être réalise grâce a des fonctions très spécifiques qui prennent en charge le comportement réactif du véhicule. L'approche proposée vise à détecter et éviter les obstacles frontaux utilisant des propriétés connues du flux optique, et en tirant parti de la capacité de vol stationnaire du drone. Une machine d'état est implémentée. Cette solution a été choisie pour équiper le drone avec toutes les réactions nécessaires a la navigation en intérieur. Nous montrons comment des transitions en douceur peuvent être atteintes grâce a la diminution de la vitesse du véhicule proportionnellement à sa distance de l'obstacle.

This thesis is focused in the design of visual strategies to ensure the autonomousnavigation of a quad-rotor rotary wing UAV. The first step on thisstudy was to design a quad-rotor perfectly suited for the requirements related to the visual navigation such as fast rotational dynamics and sufficient payload capabilities. Then the stabilization and the speed regulation problem were addressed. For this purpose, we have developed a vision system which estimates the altitude, the lateral position and the forward speed of the engine during flights. We show that the visual information allows the construction of control strategies for different kinds of flying modes: hover flight, forward flight at constant speed. A hierarchical control strategy is developed and implemented. An experimental autonomous flight was successfully achieved, validating the visual algorithm and the control law. However, in order to be completely autonomous the robot must be capable to overcome all unexpected changes in its environment. To achieve the required functions, a reactive behavior has been built. The proposed approach aims to detect and avoid frontal obstacles using known properties of the optical flow and by taking advantage of the capability of stationary flight of the rotorcraft. A state machine is proposed as a solution to equip the UAV with all reactions necessary for indoor navigation. We show how smooth transitions can be achieved by decreasing the speed of the vehicle proportionally to the distance to an obstacle and by brief instants of stationary flight.