Dall'idea all'implementazione nel mondo reale: progettazione, simulazione e messa in atto di algoritmi per il controllo di insiemi di UAV autonomi

In recent years usage of small remotely piloted aircraft (also known as drones or UAVs, Unmanned Aerial Vehicles) has been spreading, usually quadrotors or hexarotors. They are professionally employed in a multitude of fields: entertainment, art and technical applications, such as photographic surveys (aerial photogrammetry) or surveys with specialised sensors (thermographic inspections, hydrogeological monitoring, precision agriculture). In most cases, these tasks are still controlled manually by the pilot. In this work, we aimed at building a framework to simplify autonomous UAV programming, modelled after real needs, learnt through direct experience in translating research ideas into programs used on the field. The proposed framework follows the software development lifecycle from the initial prototype to the final real-world deployment, including the important steps of prototype validation and simulation of the final program. We drew special emphasis on two aspects: one is the development of multi-robot algorithms, in which a group of UAVs cooperates to achieve a common goal; the other is the need for a realistic simulation environment, in terms of modelling both physics and UAV's control software, that has to expose the same API to software being validated as a real drone, so that it can then be executed on the field with no need for adaptation. Therefore, throughout this work, three heterogeneous case studies will be presented: a decentralised and fault-tolerant multi-UAV algorithm for area coverage; a single-UAV algorithm for landing on a moving target, based on computer vision, and a multi-UAV algorithm to locate and pop balloons, also based on computer vision and with shared airspace. The software architecture, suitable for the implementation and validation of the envisioned algorithms, will be defined and, lastly, we will present the experimental results that we obtained for each of them. In particular, the last two problems were the subject of the MBZIRC (Mohamed Bin Zayed International Robotics Challenge) held in Abu Dhabi, in which the University of Catania ranked fourth in 2017 (out of 24 international teams) and ninth in 2020 (out of 22), using the framework proposed in this thesis.

Negli ultimi anni si sta diffondendo l'utilizzo di piccoli aeromobili a pilotaggio remoto (noti anche come droni o UAV, Unmanned Aerial Vehicles), solitamente quadrirotori oppure esarotori. Essi vengono impiegati professionalmente in una moltitudine di campi: intrattenimento, arte ed applicazioni tecniche, come ad esempio rilievi fotografici (fotogrammetria aerea) o con sensori specializzati (ispezioni termografiche, monitoraggio idrogeologico, agricoltura di precisione). Nella maggior parte dei casi, queste operazioni vengono ancora gestite manualmente dal pilota. In questo lavoro ci si è posti come obiettivo la realizzazione di un framework che semplifichi la programmazione di UAV autonomi, modellato sulle base di esigenze reali, apprese mediante esperienza diretta nella traduzione di idee di ricerca in programmi utilizzati sul campo. Il framework proposto segue il ciclo di sviluppo del software dal prototipo iniziale fino alla messa in campo finale, passando per le importanti fasi di validazione del prototipo e di test in simulazione del programma finale. Su due punti si è posta particolare enfasi: il primo è lo sviluppo di algoritmi multi-robot, in cui un gruppo di UAV coopera per la realizzazione di un obiettivo comune; il secondo è la necessità di un ambiente di simulazione realistico, sia nella modellazione del sistema fisico che nel software di controllo degli UAV, che offra al software da validare le stesse API che offrirebbe un drone reale, in modo da poterlo poi eseguire sul campo senza la necessità di adattamenti. Nel corso del lavoro, dunque, verranno presentati tre casi di studio con caratteristiche eterogenee: un algoritmo multi-UAV decentralizzato e tollerante ai guasti per la copertura di un'area; un algoritmo per singolo UAV per l'atterraggio su un obiettivo in movimento, basato su visione artificiale, ed un algoritmo multi-UAV per l'individuazione e lo scoppio di palloncini, anch'esso basato su visione artificiale e con spazio aereo condiviso. Verrà poi definita l'architettura software, adatta per l'implementazione e la validazione degli algoritmi ideati, ed, infine, verranno presentati i risultati sperimentali ottenuti per ciascuno di essi. In particolare, gli ultimi due problemi sono stati oggetto della competizione di robotica internazionale MBZIRC (Mohamed Bin Zayed International Robotics Challenge) svoltasi ad Abu Dhabi, nella quale l'Università di Catania ha conseguito il quarto posto nel 2017 (su 24 squadre internazionali) ed il nono posto nel 2020 (su 22), utilizzando il framework proposto in questa tesi.