Vision-based hovering and trajectory tracking of a quad-rotor

par Luis Rodolfo Garcia Carrillo

Thèse de doctorat en Technologies de l'information et des systèmes

Sous la direction de Rogelio Lozano-Leal et de Claude Pégard.

Soutenue en 2011

à Compiègne .

mots clés

• Robots volants autonomes
• Quadri-rotor
• Drones
• Vision par ordinateur
• Avions -- Stabilité
• Commande non linéaire
• Fusion multicapteurs
• Commande en temps réel
• Temps réel (informatique)
• Navigation (aéronautique)
• Rotors (hélicoptères)

Titre traduit

Vol stationnaire et suivi de trajectoire d'un quadri-rotor basés sur la vision

Résumé

Ce travail de recherche porte sur la conception et la mise en œuvre de lois de commande originales et robustes, permettant le vol stationnaires et navigation automatique d’un mini hélicoptère robotique de type quadri-rotor. Le véhicule est guide par un système de vision et une combinaison de capteurs inertiels et d’altitude, ce qui permet une localisation relative du drone par rapport à son environnement. L’idée principale de l’utilisation de ce genre de système de détection est de permettre à la plate-forme robotique de pouvoir exécuter des taches autonomes dans les environnements a l’intérieur comme a l’extérieur. Le développement d’un démonstrateur expérimental temps réel est présenté, celui-ci est composé d’un véhicule quadri-rotor et d’une station de supervision au sol, ou les programmes de traitement d’images et de contrôle sont exécutés. Une stratégie de commande pour améliorer la stabilisation de l’attitude du quadri-rotor est proposée et validée à partir d’expériences en temps réel. Cette technique utilise des composants a faible cout et une boucle de commande supplémentaire, basée sur la réalimentation du courant induit des moteurs. Deux stratégies basées sur la vision par ordinateur sont introduites, lesquelles permettent au vehicule de se localiser sur des mires artificielles positionnées au sol. Les informations visuelles en combinaison avec une stratégie de commande permettent de stabiliser la position tridimensionnelle du quadri-rotor dans des expériences en temps réel. Une comparaison de lois de commande non linéaires est présentée, avec l’objectif d’évaluer expérimentalement quelle est la stratégie la plus efficace pour stabiliser le quadri-rotor lors de l’utilisation d’un retour d’état base vision. Pour estimer la dynamique de déplacement du quadri-rotor, les informations visuelle, inertielle et du capteur d’altitude sont combines dans un observateur d’état. Ce système de détection permet au véhicule d’estimer sa position relative et sa vitesse de déplacement pendant une évolution dans environnements non structurées, à l’intérieur, hors des signaux GPS. Trois observateurs d’état différents sont compares lors d’expériences en temps réel, pour obtenir l’approche la plus efficace qui permet de combiner l’information visuelle et les capteurs inertiels. Chaque observateur d’état est testé en temps réel, les états estimés sont évalués en utilisant une stratégie de commande pour la stabilisation de la position du véhicule en vol.

Résumé

This research work is devoted to the development of original and robust control methods aiming at performing autonomous hover flights and navigation of a mini quad-rotor robotic helicopter. The vehicle is guided by an imaging system and a combination of inertial and altitude sensors, which allow a relative localization of the UAV with respect to its surrounding environment. The main idea of using this kind of sensor suit consists on enabling the robotic platform to perform autonomous tasks indoors as well as outdoors. The development of a real-time experimental platform is presented, consisting of a quad-rotor aerial vehicle and a supervisory ground station where imaging and control algorithms are executed. A control strategy for improving the attitude stabilization of the quad-rotor is proposed and tested in real-time experiments. The technique uses low cost compo-nents and an extra control loop based on motor armature current feedback. Two vision-based strategies are introduced, which allow the vehicle to localize it- self with respect an artificial landmark placed on ground. Such information together with a control strategy allows stabilizing the quad-rotor 3-dimensional position in real time experiments. A comparison of nonlinear controllers is addressed, with the objective of evaluating which control strategy is the most effective approach for stabilizing the quad-rotor when using visual feedback. For estimating the translational dynamics of the quad-rotor, imaging, inertial and altitude sensors are combined in a state observer. This sensing system allows the vehicle to estimate its relative position and translational velocity when evolving in unstructured, indoors, GPs-denied environments. Three different state observers are compared in real time experiments, aiming at obtaining the most effective approach for combining imaging and inertial sensors. Each state observer is tested in a real-time experiment, where the estimated states are used in a control strategy for stabilizing the vehicle’s position during flight.