A cooperative and verifiable UAV behavior for 3D environments

Autonome Robotersteuerung ist eines der Hauptforschungsgebiete der Robotik. Eine Vielzahl an Ansätzen zur Kontrolle und Bewegung, sowohl einzelner als auch mehrerer Roboter, allein oder in Formation, existieren. Sie decken unterschiedliche Anwendungsgebiete und führen zu verschiedensten Ergebnissen. Ein Ansatz zur vollständig autonomen Steuerung unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) wird in dieser Dissertation präsentiert. Die UAVs verfügen über die Fähigkeit zur dreidimensionalen Pfadplanung. Dadurch erreichen sie spezifische Positionen so dass Gebiete, einschließlich teilweise oder vollständig eingestürzter Gebäude, Tunnel, Brücken, etc. vollständig erkundbar werden. Durch Verwendung multipler UAVs kann die benötigte Zeit zur Gebietserkundung reduziert werden, sofern Koordination und Aufgabenallokation verwendet wird. Der vorgestellte Ansatz funktioniert mit einem einzelnen UAV und sorgt für eine schnellere Abarbeitung aller Aufgaben bei Verwendung mehrerer UAVs. Diese arbeiten verteilt und vollständig dezentral. Redundante Aufklärung wird durch Informationsaustausch reduziert. Das System basiert auf der Potentialfeldtheorie, kombiniert mit harmonischen Funktionen, wobei Pfade durch ein Gradientenverfahren erzeugt werden. Zusätzlich werden Formationsflüge zur Kooperation eingeführt. Diese basieren ebenfalls auf Potentialfeldern, in Kombination mit
 der Bifurkationstheorie. Die Art der Formationen kann durch einfache Parameteranpassungen verändert werden. Dieses Verfahren wird mit harmonischen Potentialfeldern zur vollständigen Gebietserkundung in Formation kombiniert.Autonomous robot movement is one of the main research topics in robotics. Various approaches for control and movement of singleand multiple robots, alone or in formation, from one positions to another exist. They cover diverse applications and lead todifferent results. A system for completely autonomous unmanned aerial vehicle (UAV) control is presented in this thesis. It provides the UAVs withcapabilities for three-dimensional path planning in order to fly to specific positions and to entirely explore environmentsincluding partially or completely collapsed buildings, tunnels, bridges, etc.Using multiple UAVs decreases the time needed to explore an environment completely when the problems of coordination and taskallocation are solved. The presented approach works well with a single UAV. Increasing the number of UAVs leads to a fasterexecution of all relevant tasks. The UAVs work in a distributed and completely decentralized manner without any centralcoordination instance. Redundant exploration is reduced by inter-UAV communication. The system is based on artificial potentialfield theory combined with harmonic functions. The simplicity of the gradient method is used to compute feasible paths based on apotential field. This leads to efficient trajectories with specific target positions, which are the essential behavior forexploratory navigation of complex environments.Formations have been introduced to reach a high degree of cooperation. They are created through the use of artificial potentialfields, based on bifurcation theory. The shape of a formation can easily be changed through the adaptation of single parametervalues. A combination with the harmonic potential field is conducted to enable the UAVs to explore environments in formation.Tag der Verteidigung: 19.07.2013Paderborn, Univ., Diss., 201