Sistema de ayuda para el aterrizaje autónomo de cuadricópteros basado en sensores láser

Abstract

[EN] The emergence of unmanned aerial vehicles or UAVs has challenged the design of new electronic sensor systems capable of making reliable, accurate and computationally e↵ective measurements. Accurate knowledge of altitude and real-time obstacle avoidance is one of the crucial aspects when talking about autonomous UAVs navigation. Its success depends on the quality and robustness of the sensors used to acquire environmental data and their implementation on the vehicle control system. However, today, many of the technologies commonly used for height measurement and obstacle avoidance have some limitations, especially in unfamiliar or indoor environments. Consequently, this Bachelor’s Final Thesis presents a conceptual test consisting of height estimation and obstacle detection using a low-cost device capable of accurately measuring distances: the VL53L0X laser sensor designed by ST Microelectronics. The test platform consists of a quadcopter frame (FY450) equipped with four VL53L0X laser-ranging modules located at the edge of each of its arms and an ultrasound module located in the central part. The application operates in a horizontal plane, with or without obstacles inside, in both indoor and outdoor environments. The focus is set on the correct and accurate estimation of height by reading the five sensors in order to detect the existence of safe landing zones (without obstacles inside). By turning on two LEDs, the application indicates whether, in a real environment, the landing procedure would be interrupted. Taking into account the characteristics of both sensors, the experimental characterization and validation tests demonstrate the viability of the conceptual test conducted in this Thesis, as well as its useful application as a system to support the autonomous landing of a quadcopter, built into its control system.

[ES] La aparición de vehículos aéreos no tripulados o UAVs, ha desafiado al diseño de nuevos sistemas de sensores electrónicos capaces de realizar mediciones fiables, precisas y computacionalmente efectivas. El conocimiento exacto de la altura y la evitación de obstáculos en tiempo real es uno de los aspectos cruciales cuando de navegación autónoma de UAVs se habla. Su éxito depende, en gran medida, de la calidad y robustez de los sensores utilizados para adquirir datos del entorno y de su implementación sobre el sistema de control del vehículo. Sin embargo, actualmente, muchas de las tecnologías utilizadas comúnmente para la medición de alturas y evitación de obstáculos tienen algunas deficiencias, sobre todo en entornos desconocidos o indoor. En consecuencia, este Trabajo Final de Grado presenta una prueba de concepto consistente en la estimación de alturas y reconocimiento de obstáculos mediante el uso de una dispositivo de bajo coste capaz de medir distancias de forma precisa: el sensor láser VL53L0X diseñado por ST Microelectronics. La plataforma de pruebas consiste en la estructura de un cuadricóptero (FY450) equipado con cuatro sensores láser VL53L0X situados en el extremo de cada uno de sus brazos y un módulo de ultrasonidos localizado en la parte central. La aplicación trabaja en un plano horizontal, con o sin obstáculos en su interior, y tanto en entornos de exterior, como de interior. El enfoque se fija en la correcta y precisa estimación de la altura mediante la lectura de los cinco sensores para detectar la existencia de zonas seguras de aterrizaje (sin obstáculos en su interior). Mediante el encendido de dos LEDs, la aplicación indica si, en un entorno real, el procedimiento de aterrizaje se interrumpiría. Teniendo en cuenta las características de ambos sensores, los ensayos experimentales de caracterización y validación demuestran la viabilidad de la prueba de concepto desarrollada en el presente Trabajo, así como su eficaz aplicación como sistema de ayuda al aterrizaje autónomo de un cuadricóptero, integrado como parte de su sistema de control.

[CAT/VA] L’aparició de vehicles aeris no tripulats o UAVs, ha desafiat el disseny de nous sistemes de sensors electrònics capaços de realitzar mesuraments de manera fiable, precisa i computacionalment efectiva. El coneixement exacte de l’altura i l’evitació d’obstacles en temps real és un dels aspectes crucials quan de navegació autònoma de UAVs es parla. El seu èxit depèn, en gran mesura, de la qualitat i robustesa dels sensors utilitzats per adquirir dades de l’entorn i de la seva implementació sobre el sistema de control del vehicle. No obstant això, actualment, moltes de les tecnologies utilitzades comunament per al mesurament d’altures i evitació d’obstacles tenen algunes deficiències, sobretot en entorns desconeguts o indoor. En conseqüència, aquest Treball Final de Grau presenta una prova de concepte que consisteix en l’estimació d’altures i reconeixement d’obstacles mitjançant l’ús d’una dispositiu de baix cost capaç de mesurar distàncies de forma precisa: el sensor làser VL53L0X dissenyat per ST Microelectronics. La plataforma de proves consisteix en l’estructura d’un quadrotor (FY450) equipat amb quatre sensors làser VL53L0X situats a l’extrem de cada un dels seus braços i un mòdul d’ultrasons localitzat a la part central. L’aplicació treballa en un pla horitzontal, amb o sense obstacles en el seu interior, i tant en entorns d’exterior, com d’interior. L’enfocament es fixa en la correcta i precisa estimació de l’altura mitjançant la lectura dels cinc sensors per detectar l’existència de zones segures d’aterratge (sense obstacles en el seu interior). Mitjançant l’encesa de dos LEDs, l’aplicació indica si, en un entorn real, el procediment d’aterratge s’interrompria. Tenint en compte les característiques de tots dos sensors, els assajos experimentals de caracterització i validació demostren la viabilitat de la prova de concepte desenvolupada en el present Treball, així com la seva eficaç aplicació com a sistema d’ajuda a l’aterratge autònom quadrotor, integrat com a part de el seu sistema de control.