Propuesta de sistema multi-UAV para aplicaciones de cobertura de área

Abstract

En la presente tesis se ha desarrollado una arquitectura completa de toma de decisiones para sistemas multi-UAV orientados a aplicaciones de cobertura de un área objetivo. Esta arquitectura está compuesta por dos capas, la primera de ellas posee una estructura centralizada, mientras que la estructura de la segunda capa es distribuida. La capa centralizada está implementada en su totalidad en la estación de control en tierra, y en ella se lleva a cabo todo el proceso de generación y asignación de tareas, así como la planificación de las rutas gracias al software de planificación Mission Planner. En el momento en que los UAVs inician la ejecución de sus respectivos planes de vuelo, la capa distribuida toma el control del sistema. En esta etapa los UAVs inician el intercambio de información entre ellos acerca del desarrollo de la misión, lo que permitirá a cada UAV disponer del conocimiento necesario para iniciar un proceso de reasignación de tareas y de replanificación de rutas en caso de presentarse algún cambio que ponga en riesgo el cumplimiento de los objetivos de la misión. Se ha desarrollado un entorno de simulación multi-UAV modular, basado en la técnica de simulación Software in the Loop. Este entorno admite una gran variedad de configuraciones, pudiendo ser utilizado como un entorno enteramente virtual, hasta poder realizar pruebas mixtas, en las que interactúan aeronaves reales con aeronaves simuladas. Esta plataforma a resultado de vital importancia en la realización de la presente tesis, ya que ha permitido llevar a cabo toda la fase de desarrollo e implementación de las distintas estrategias y soluciones propuestas. Se ha creado un nuevo algoritmo de planificación de rutas para la cobertura de un área en tiempo mínimo mediante el uso de sistemas multi-UAV. Dicho algoritmo garantiza la cobertura de un área objetivo con varias aeronaves lanzadas desde una misma zona de lanzamiento sin presentar problemas de interferencia física. Para lograrlo se ha desarrollado una novedosa estrategia de construcción de caminos de ingreso y salida para los casos en el que el UAV no puede acceder directamente a la zona de vuelo asignada. También se ha desarrollado una estrategia de cooperación basada en el mecanismo de subasta de un solo item (SSA), capaz de realizar procesos de reasignación de waypoints con el objetivo de minimizar el efecto negativo de posibles incidentes en el tiempo global de la misión. Para ello se ha creado una estrategia de interacción entre todos los elementos del sistema basada en el intercambio de mensajes periódicos.

In this thesis a complete decision-making architecture has been developed for multi- UAV systems oriented to applications covering a target area. This architecture is composed of two layers, the first of which has a centralized structure, while the structure of the second layer is distributed. The centralized layer is fully implemented in the ground control station, where it carries out the entire process of generating and assigning tasks, as well as planning the routes thanks to the Mission Planner planning software. As the UAVs begin executing their respective flight plans, the distributed layer takes control of the system. At this stage the UAV initiates the exchange of information between them on the development of the mission, which allows each UAV to have the necessary knowledge to initiate a process of reassignment of tasks and replanning of routes in case of an inconvenience that damages the mission fulfillment. A modular multi-UAV simulation environment has been developed using the Software in the Loop simulation technique. This environment supports a variety of configurations, being able to be used as an entirely virtual environment, and also offering the ability to perform mixed tests, in which real UAV interact with simulated UAV. This platform has been of vital importance for the accomplishment of the present thesis since it has allowed to carry out the whole phase of development and implementation of the different strategies and solutions proposed. A new route planning algorithm has been created for the coverage of an area in minimum time using multi-UAV systems. This algorithm guarantees coverage of a target area with several aircraft launched from the same launch area without presenting physical interference problems. To achieve this, a strategy has been developed for the construction of entry and exit roads for cases in which the UAV can not directly access the assigned flight area. A cooperation strategy based on the single-item auction (SSA) mechanism has also been developed. This strategy allows reallocation of waypoints with the objective of minimizing the negative effect of possible incidents in the overall time of the mission. For this purpose a strategy of interaction between all the elements of the system based on the exchange of periodic messages has been created.