Vision-based station-keeping of floating aerial and underwater unmanned vehicles

Abstract

This dissertation addresses the problem of \station-keeping" of a robotic floating vehicle, i.e., the procedure of maintaining a hovering underwater vehicle or a lighter-than-the-air ship on a pre-established 3D position relatively to a ground-referenced frame. The method proposed to achieve this objective, in the absence of GPS signals, is a vision-based control scheme designated in the robotics literature as visual-servo control. The approach exploits the availability of visual features observed on the ground surveyd by the vehicle and takes advantage of standard digital video cameras normally available on unmanned platforms as those contemplated in the present context. The system implementated in the context of this work relies on inexpensive video cameras and computational resources, which are proven to fullfil the requirements of the envisioned application. The proposed test bench of the control system is a small blimp that can be operated inside a sufficiently large building. Due to difficulties in the operation of this air vehicle experienced during the work, the dissertation developments included a dynamics-based computer simulator of the blimp parameterized by real physical parameters and designed to provide the signal inputs required by the visual-servoing system responsible for station-keeping the vehicle. Although the different functional components developed in this work have not been completely integrated in a fully-functional version of the system, the theoretical and experimental frameworks of the proposed approach have been established and a set of operational blocks has been implemented which can be later integrated in order to achieve the objectives of the project.

Esta dissertação aborda o problema de controlo/manutenção da posição de veículos robóticos flutuantes, ou seja o procedimento destinado a manter um veiculo aério ou subaquático, a pairar sobre um determinado ambiente, numa posição fixa previamente estabelecida em relação a um referencial local ou global. O método proposto para atingir este objectivo, na ausência de dados de posicionamento GPS, consiste num sistema de controlo baseado em visão, designado na literatura robótica por "visual-servo control". A abordagem explora marcas visuais presentes no terreno sobrevoado pelo veiculo, tirando partido de camaras de video digital normalmente disponíveis como equipamento "standard" neste tipo de plataformas autónomas. O sistema implementado no ^âmbito do trabalho assenta em câmaras de video digital e sistemas computacionais de muito baixo custo que se demonstra satisfazerem plenamente os requisitos da aplicação em vista. O ambiente de teste proposto para validar o sistema de controlo implementado é um pequeno dirigível (blimp) que pode ser operado dentro de um edifício com suficiente espaço interior disponível. Devido a diversas dificuldades operacionais sentidas durante o trabalho da dissertação, que impossibilitaram a realização de testes com o veículo real, foi desenvolvido um simulador computacional do "blimp", parametrizado com valores reais e destinado a fornecers os sinais requeridos pelo sistema de controlo baseado em visão responsável pela manutenção da posição do veículo. Embora as diferentes componentes funcionais desenvolvidas neste trabalho não tenham sido completamente integradas para implementar um sistema totalmente funcional, foram implementados os diferentes blocos funcionais que poderão ser posteriormente integrados de forma a permitir atingir os objectivos do trabalho proposto.