Алгоритмы оценивания параметров неоднородной поверхности и управления беспилотным летательным аппаратом при установке сейсмического датчика
Автор: Ерашов А. А., Аникин Д. А., Черских Е. О., Савельев А. И., Брыскин В. М., Агафонов Б. М.
Журнал: Труды Московского физико-технического института @trudy-mipt
Рубрика: Информатика и управление
Статья в выпуске: 4 (60) т.15, 2023 года.
Бесплатный доступ
Рассматривается задача автономной посадки и установки объекта на целевой неоднородной поверхности посредством беспилотного летательного аппарата. Целью работы является разработка алгоритмов оценивания параметров неоднородной поверхности для успешной посадки БпЛА и установки объекта. На точность посадки беспилотного аппарата и точность установки объекта влияет перепад высот по отношению к их геометрическим размерам. Предполагаемая для посадки поверхность может содержать значительные перепады высот, ввиду чего требуется оценивать сегменты данной поверхности для устойчивого расположения рассматриваемых объектов. В работе предлагаются алгоритмы оценивания неоднородности сегментов поверхности по получаемым изображениям с камеры глубины, управления БпЛА, алгоритмы оценивания перепада высот, обеспечивающие определение разности высот между соседними точками и угла наклона между ключевыми точками каждого сегмента поверхности. Данные алгоритмы позволяют анализировать доступные для посадки и установки объекта сегменты поверхности в процессе выполнения задачи посадки БпЛА, выделяя подходящие и исключая неподходящие сегменты. В качестве объектов, устанавливаемых на неоднородную поверхность, могут быть, например, датчики. Проведенные эксперименты в симуляционной среде показали, что в 97% случаев БпЛА фиксировался на поверхности с учетом заданных ограничений при общей площади участков местности в 25 и 81 км2. При изменении пороговых значений от 30 до 60% изменение количества доступных участков для посадки не превышало 5%.
Беспилотный летательный аппарат, неоднородная поверхность, автономная установка объектов с бпла, посадка бпла на неоднородную поверхность
Короткий адрес: https://sciup.org/142239998
IDR: 142239998 | УДК: 519.712
Algorithms for estimating the parameters of a non-uniform surface and controlling an unmanned aerial vehicle when installing a seismic sensor
The problem of autonomous landing and installation of a seismic sensor on a target non-uniform surface using an unmanned aerial vehicle is considered. The goal of the work is to develop algorithms for estimating the parameters of a non-uniform surface for the successful landing of a UAV and installation of a seismic sensor. The landing accuracy of the unmanned vehicle and the installation accuracy of the seismic sensor are affected by the height difference in relation to their geometric dimensions. The surface proposed for landing may contain significant differences in heights, which is why it is necessary to evaluate segments of this surface for a stable location of the objects in question. The paper proposes algorithms for assessing the non-uniformity of surface segments based on images obtained from a depth camera, UAV control, and algorithms for estimating height differences that ensure the determination of the height difference between adjacent points and the angle of inclination between key points of each surface segment. These algorithms make it possible to analyze the surface segments available for landing and installation of the sensor during the UAV landing task, identifying suitable segments and excluding unsuitable ones. Experiments conducted in a simulation environment showed that in 97% of cases the UAV was recorded on the surface, considering the specified restrictions, with a total area of 25 and 81 km2. When the threshold values changed from 30 to 60%, the change in the number of available areas for planting did not exceed 5%.
Список литературы Алгоритмы оценивания параметров неоднородной поверхности и управления беспилотным летательным аппаратом при установке сейсмического датчика
- Носов А.М., Савельев А.И., Вильянинов В.Н., Ромашова Ю.Е., Лебедев И.В., Лебедева В.В., Янин А.П. Самоохвалов И.М. Опыт транспортировки компонентов крови с применением беспилотного летательного аппарата // Медицина катастроф. 2022. № 2. С. 65–69.
- Saveliev A., Lebedeva V., Lebedev I., Uzdiaev M. An Approach to the Automatic Construction of a Road Accident Scheme Using UAV and Deep Learning Methods // Sensors. 2022. V. 22, N 13. P. 4728. https://doi.org/10.3390/s22134728.
- Астапова М.А., Лебедев И.В., Уздяев М.Ю. Методика построения траектории беспилотных летательных аппаратов для автономного сбора визуальных данных о повреждениях линий электропередач в инфракрасном и ультрафиолетовом спектрах // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2023. T. 11, № 1. https://doi.org/10.26102/2310-6018/2023.40.1.003.
- Севостьянова Н.Н., Лебедев И.В., Лебедева В.В., Ватаманюк И.В. Инновационный подход к автоматизированной фотоактивации посевных площадей посредством БпЛА с целью стимуляции роста культур // Информатика и автоматизация. 2021. T. 20, № 6. С. 1395–1417. https://doi.org/10.15622/ia.20.6.8.
- Gubanov B., Lebedeva V., Lebedev I., Astapova M. Algorithms and Software for Evaluation of Plant Height in Vertical Farm Using UAVs // In Agriculture Digitalization and Organic Production: Proceedings of the Second International Conference. 2022. P. 351–362. https://doi.org/10.1007/978-981-19-7780-0_31.
- Lebedev I., Erashov A., Shabanova A Accurate autonomous UAV landing using vision-based detection of ArUco-marker // In International Conference on Interactive Collaborative Robotics. 2020. P. 179–188. https://doi.org/10.1007/978-3-030-60337-3_18.
- Anikin D., Ryabinov A., Saveliev A., Semenov A. Autonomous Landing Algorithm for UAV on a Mobile Robotic Platform with a Fractal Marker // International Conference on Interactive Collaborative Robotics. 2023. P. 357–368. https://doi.org/10.1007/978-3-031-43111-1_32.
- Yan L., Qi J., Wang M., Wu C., Xin J. A safe landing site selection method of UAVs based on LiDAR point clouds // 2020 39th Chinese Control Conference (CCC). 2020. P. 6497–6502.
- Kalaitzakis M., Carroll S., Ambrosi A., Whitehead C., Vitzilaios N. Experimental comparison of fiducial markers for pose estimation // In 2020 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS). 2020. P. 781–789.
- Zakiev A. Pilot Virtual Experiments on ArUco and ArTag Systems Comparison for Fiducial Marker Rotation Resistance // Smart Innovation, Systems and Technologies. 2020. V. 154. P. 455–464.
- Yan L., Qi J., Wang M., Wu C., Xin J. EA safe landing site selection method of UAVs based on LiDAR point clouds // 2020 39th Chinese Control Conference (CCC). 2020. P. 6497–6502.
- Matsumoto T., Premachandra C. Depth Sensor Application in Ground Unevenness Estimation for UAV Emergency Landing // 2023 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS). 2023. P. 1–6.
- Liu F., Shan J., Xiong B., Fang Z. Depth A real-time and multi-sensor-based landing area recognition system for UAVs // Drones. 2022. V. 6, N 5. P. 118.
- Kikumoto C., Harimoto Y., Isogaya K., Yoshida T., Urakubo, T. Landing site detection for UAVs based on CNNs classification and optical flow from monocular camera images // Journal of Robotics and Mechatronics. 2021. V. 33, N 2. P. 292–300.
- Desaraju V.R., Michael N., Humenberger M., Brockers R., Weiss S., Matthiesm L.H. Vision-based landing site evaluation and informed optimal trajectory generation toward autonomous rooftop landing // Robotics: Science and Systems. 2014.
- Hinzmann T., Stastny T., Cadena C., Siegwartm R., Gilitschenski I. Free LSD: Prior-free visual landing site detection for autonomous planes // IEEE Robotics and Automation Letters. 2018. V. 3, N 3. P. 2545–2552.
- Paul H., Miyazaki R., Ladig R., Shimonomura K. TAMS: development of a multipurpose three-arm aerial manipulator system // Advanced Robotics. 2021. V. 35, N 1. P. 31–47.
- Paul H., Miyazaki R., Kominami T., Ladig R., Shimonomura K. A versatile aerial manipulator design and realization of UAV take-off from a rocking unstable surface // Advanced Robotics. 2021. V. 11, N 19. P. 9157.
- Cabuk N. Design and kinematic analysis of proposed adaptive landing gear for multirotor UAV // El-Cezeri. 2022. V. 9, N 1. P. 159–170.
- Huangm T.H., Elibol A., Chong N.Y. A Design for UAV Irregular Surface Landing Capability // Proceedings of the 2020 17th International Conference on Ubiquitous Robots (UR). 2020.
- Huang T., Elibol A., Chong N.Y. Enabling landings on irregular surfaces for unmanned aerial vehicles via a novel robotic landing gear // Intelligent Service Robotics. 2022. V. 15, N 2. P. 231–243.
- Paul H., Miyazaki R., Ladig R., Shimonomura K. Landing of a multirotor aerial vehicle on an uneven surface using multiple on-board manipulators // 2019 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). P. 231–243.
- Paul H., Martinez R.R., Ladig R., Shimonomura K. Lightweight Multipurpose Three- Arm Aerial Manipulator Systems for UAV Adaptive Leveling after Landing and Overhead Docking // Drones. 2022. V. 6, N 12. P. 380.
- Baker S., Soccol D., Postula A., Srinivasan M.V. Passive landing gear using coupled mechanical design // Proceedings of Australasian Conference on Robotics and Automation. 2013. P. 1–8.
- Sarkisov Y.S., Yashin G.A., Tsykunov E.V., Tsetserukou D. Dronegear: A novel robotic landing gear with embedded optical torque sensors for safe multicopter landing on an uneven surface // IEEE Robotics and Automation Letters. 2018. V. 3, N 3. P. 1912–1917.
- Tsetserukou D., Tadakuma R., Kajimoto H., Tachi S. Optical torque sensors for implementation of local impedance control of the arm of humanoid robot // Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2006. P. 1674–1679.
- Baker S., Soccol D., Postul, A., Srinivasan M. V. Passive landing gear using coupled mechanical design // In Proceedings of Australasian Conference on Robotics and Automation. 2013. P. 1–8.
- Condotta I.C., Brown-Brandl T.M., Pitla S.K., Stinn J.P. Silva-Miranda K.O. Evaluation of low-cost depth cameras for agricultural applications // Computers and Electronics in Agriculture. 2020. V. 173. P. 105394. https://doi.org/10.1016/j.compag.2020.105394
- Irfan M., Dalai S., Kishore K., Singh S., Akbar S.A. Vision-based guidance and navigation for autonomous MAV in indoor environment // In 2020 11th International Conference on Computing, Communication and Networking Technologies (ICCCNT). 2020. P. 1–5.
