Monitoring system for unmanned aerial vehicles

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores (área de especialização em Sistemas Embebidos)O crescimento da chamada Economia do Mar gera, inevitavelmente um aumento da circulação das pessoas e bens, com impacto nas atividades relacionadas com a salvaguarda da vida humana no mar, regulação e fiscalização das atividades marítimas e, garantia de sustentabilidade e bom estado ambiental dos oceanos. Todas estas atividades levam a uma necessidade cada vez maior de um adequado conhecimento situacional marítimo. Esta dissertação está incluída no âmbito do projeto SEAGULL Ref 34063, co-financiado pelo POFC (Programa Operacional Fatores de Competitividade), o qual tem como objetivo o desenvolvimento de sistemas de bordo inteligentes de maneira que quando associados a veículos aéreos não tripulados (VANT) já existentes (providenciados pela Força Aérea Portuguesa), possam contribuir de forma muito significativa para a geração do já referido conhecimento situacional marítimo. Estes sistemas irão suportar funcionalidades como a deteção, identificação e seguimento de alvos (e.g. embarcações, manchas de poluentes, náufragos, destroços, etc.), reconhecimento de padrões de comportamento e planeamento, e ainda missões colaborativas de diversos veículos autónomos para as quais se torna imperativo um sistema de sense and avoid. Estes VANT, já existentes, estarão equipados com um piloto automático Piccolo fabricado pela Cloud Cap Technology, sendo este o responsável pelo controlo dos atuadores que afetam as manobras da aeronave e também por toda a comunicação de e para terra, conseguindo ainda fornecer dados de telemetria do avião (altitude, velocidade, etc.). Os módulos de deteção e identificação de objetos, target tracking e sense and avoid serão tratados como componentes COTS (commercial off-the-shelf), pelo que o âmbito desta dissertação é a implementação de módulos de suporte a estes subsistemas tais como: • Autopilot Comms e Autopilot Driver – Permitem a comunicação entre todos os módulos do sistema e o Piccolo Autopilot. • Comms Relay – Assegura a fragmentação de mensagens em pacotes de dimensão reduzida, implementando um protocolo de garantia de entrega dos mesmo. É também responsável pela agregação dos pacotes na extremidade oposta. • Control Supervisor – Módulo que implementa uma gestão de prioridades entre o target tracking e o sense and avoid sendo responsável pela ativação/desativação destes dois sistemas. Pode reportar mensagens de erro em caso de falha do Seagull Manager. • Seagull Manager – Módulo responsável por compor todas as mensagens com destino a terra, tal como descodificar todos os comandos recebidos e comunicar os mesmos ao sistema de bordo. • Frame grabbers e sensores – Vários módulos responsáveis pela operação dos sensores e câmaras e pela comunicação de informação dos mesmos ao sistema. Convém ainda ressalvar que um dos grandes objetivos deste sistema assenta na comunicação e reporte de eventos para terra e o cumprimento de comandos enviados pelas estações de terra. Assim sendo, esta dissertação detalha também uma estação de terra capaz de monitorizar o sistema a bordo e apresentar, ao operador, dados visuais para uma melhor avaliação da missão em curso.The growth of the so-called Sea economy generates, inevitably, increased traffic of people and goods with an impact on activities related to the safety of life at sea, regulation and surveillance of maritime activities and ensuring sustainability and good environmental status of the oceans. All these activities rely heavily on an appropriate maritime situational awareness. This dissertation is included in the SEAGULL project Ref 34063, co-funded by POFC (Competitiveness Factors Operational Program), which aims to the development of intelligent vehicle systems that associated with existing unmanned aerial vehicles (UAV) can contribute very significantly to the generation of this maritime situational awareness. These systems will address aspects such as detecting, identifying and tracking targets (e.g. vessels, polutant stains, shipwrecks, debris, etc.), planning and behavioral patterns recognition and aspects related to collaborative missions with several autonomous vehicles for which it becomes mandatory a Sense and Avoid system. These UAV will be equipped with an autopilot Piccolo manufactured by Cloud Cap Technology, which is responsible for the control of actuators that affect the maneuvers of the aircraft and also for all communication to and from earth, while providing aircraft telemetry data (altitude, speed, etc.). The object detection and identification, target tracking and sense and avoid systems will be treated as COTS (commercial off-the-shelf) components so the scope of this thesis is the implementation of support modules to these subsystems such as: • Autopilot Autopilot and Comms Driver - Enables communication between all system modules and the Piccolo Autopilot. • Comms Relay – Ensures the fragmentation of messages in small size packets, implementing a delivery security protocol thereof. It is also responsible for aggregating the packets at the opposite end. • Control Supervisor – Module that implements priority management between the target tracking and the sense and avoid, being responsible for the activation / deactivation of these two systems. May report error messages in case of Seagull Manager failure. • Seagull Manager – Module responsible for composing all messages destined for land as decode all incoming commands and communicate them to the onboard system. • Frame grabbers e sensores – Several modules responsible for the operation of sensors and cameras and communication of information thereof to the system. It should also be pointed out that one of the major objectives of this system is based on communication and reporting of events to land and compliance with commands sent by ground stations. Therefore, this work also details a ground station capable of monitoring the system on board and present visual data to the operator for a better assessment of the current mission