Multi-drone control with autonomous mission support

Abstract

Recent advancements regarding miniaturization of sensors and instruments, as well as the reduction of their cost, promoted a growth in the usage of drones in an increasingly wide range of scenarios such as search and rescue, agriculture and environmental monitoring. However, most currently available mechanisms for drone control still require a constantly aware pilot, thus limiting the convenience of executing complex missions, especially when more than one drone is involved. Major drone and flight controller manufacturers, however, are displaying an increasing interest in providing programming interfaces and development kits that enable the execution of basic autonomous flight, including commands such as taking off, landing and waypoint navigation. These interfaces facilitate the integration of said drones in platforms that aim to abstract manual control from their users. This dissertation proposes a complete and modular solution for controlling one or more drones, enabling an inexperienced user to plan, execute and monitor complex missions with various participants, also implementing the required functionality for the collaboration of a set of drones in the execution of such missions. The proposed solution consists in a modular platform composed of loosely coupled components. Each component is individually designed to handle specific tasks such as flight control hardware interfacing, telemetry acquisition and storage, and mission planning. Components accomplish their interactions by using message brokers, while user interaction is achieved through intuitive web and mobile applications. The functionality of the solution is evaluated through the completion of four experiments, which represent typical scenarios where the control platform may be used. These experiments cover both single-drone and multi-drone functionality, with the first two covering tasks carried out by one drone, while the last two represent scenarios where multiple drones collaborate towards a common goal.

Com os avanços recentes na redução do tamanho dos sensores e instrumentos, assim como na redução de custos dos mesmos, a utilização de drones é cada vez mais comum e abrange um número cada vez superior de casos de utilização tais como missões de procura e resgate, agricultura e monitorização ambiental. Contudo, a maior parte das alternativas existentes para controlo ainda exigem a atenção constante de um piloto, limitando a conveniência da execução de missões complexas, sobretudo quando nelas participa mais que um drone. Os principais fabricantes de drones e controladores de vôo, no entanto, disponibilizam cada vez mais frequentemente interfaces para a execução de funções básicas de vôo autónomo, como por exemplo a descolagem, aterragem e a navegação baseada em coordenadas geográficas. A existência cada vez mais comum destas interfaces permite a integração de drones em plataformas que têm como objectivo a abstração do seu controlo directo. Esta dissertação propõe uma solução modular completa para controlo de um ou mais drones, permitindo a um utilizador inexperiente o planeamento, execução e monitorização de missões complexas com vários participantes, implementando também a funcionalidade necessária para a colaboração de vários drones na execução de uma missão. A solução proposta consiste numa plataforma modular, composta por componentes que são executados de forma independente. Cada componente é individualmente desenvolvido para executar tarefas específicas como a comunicação com o controlador de vôo, a aquisição e armazenamento de telemetria e o planeamento de missões. Os componentes realizam as suas interações através da utilização de filas de mensagens, enquanto a interação com o utilizador é realizada através de aplicações intuitivas web ou mobile. As funcionalidades da solução proposta são avaliadas através da execução de quatro testes distintos, que representam cenários típicos em que a plataforma de controlo pode ser usada. Estes testes cobrem a utilização de um ou mais drones, sendo que as duas primeiras tarefas são executadas apenas por um drone e as últimas duas representam cenários em que vários drones colaboram para alcançar um objectivo comum.