A Solution for the Efficient Takeoff and Flight Coordination of UAV Swarms

Abstract

[ES] En la última década, hemos asistido a un gran aumento del uso de los VANTs, debido principalmente a los avances en tecnología y materiales. Hoy en día, los VANTs ya no son solo juguetes para el entretenimiento, sino también importantes activos para muchas empresas. Los VANTs son muy versátiles y, por ello, existen muchas y variadas aplicaciones: misiones de búsqueda y rescate, vigilancia de fronteras, inspección térmica de tuberías, cinematografía y agricultura de precisión, solo por nombrar algunas. En estos momentos en que las industrias están incorporando soluciones basadas en VANTs, es crucial que la investigación avance. El cambio más destacado (con respecto a los VANTs) que presenciaremos en esta década, es el despliegue de grupos de VANTs trabajando en colaboración para cumplir un objetivo superior. Estos grupos, también llamados enjambres de drones, permiten realizar tareas más complejas, de forma más eficiente, o con mayor redundancia. Sin embargo, existen retos inherentes al funcionamiento de un enjambre de VANTs. Debe existir una buena comunicación entre los VANTs, deben evitarse las colisiones y los VANTs individuales deben utilizarse de forma inteligente para aumentar la eficiencia global. En este trabajo fin de master se da solución a algunos de los principales problemas relativos a los enjambres de vehículos aéreos no tripulados. En primer lugar, diseñamos varios patrones de formación de enjambres ´útiles. A continuación, incorporamos esas formaciones en dos procedimientos de despegue - una heurística y un algoritmo ya existente (KMA) - los cuales se prueban ampliamente para decidir cual es el más adecuado para despegar un enjambre de VANTs de la manera más eficiente. Una vez que somos capaces de despegar de forma sincronizada y segura un enjambre completo, continuamos nuestra investigación proporcionando una solución para mantener ese enjambre organizado, y estable durante una misión pre-planificada. Nuestra solución incorpora mecanismos para proporcionar resiliencia al enjambre, de tal manera que todos y cada uno de los VANTs pueden abandonar el enjambre (en pleno vuelo), sin perturbar a los demás en su misión.

[EN] In the last decade, we have seen a great increase in the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). This is mainly due to advances in technology and materials. Nowadays, UAVs are no longer only toys for entertainment, but also important assets for many enterprises. UAVs are versatile, and thus many diverse applications exist: search and rescue missions, border surveillance, thermal pipeline inspection, cinematography, and precision agriculture, just to name a few. Now that the industry is incorporating UAVs based solutions, it is crucial that research advances. The most prominent change (with respect to UAVs) that we will witness in this decade, is the deployment of groups of UAVs working collaboratively to fulfill a higher goal. Those groups, also called swarms, allow us to perform more complex tasks, more efficiently, or with more redundancy. However, there are inherent challenges while operating a swarm of UAVs: there must be a good communication channel between the UAVs, collisions must be avoided, and the individual UAVs should be used intelligently in order to increase the overall efficiency. In this master thesis, a solution is given for some of the main problems concerning Unmanned Aerial Vehicle (UAV) swarms. First, we lay out various useful swarm formation patterns. Then we incorporate those formations in two takeoff procedures - an heuristic and an existing algorithm (KuhnMunkres algorithm (KMA)) - which are extensively tested to decide which one is the most appropriate for the takeoff of a swarm of UAVs in the most efficient manner. Once we are able to take off an entire swarm, we continue our research by providing a solution to keep that swarm organized and stable during a pre-planned mission. Such solution incorporates mechanisms to provide resilience to the swarm in such a manner that any number of UAVs can be removed from the swarm (mid-flight) without disturbing the others in their mission.