Rozprawy doktorskie na temat „AutoBoT”

På SAAB AB pågår projekt vilka har till syfte att utveckla en obemannad flygfarkost (UAV) som komplement till vanliga flygplan, exempelvis Gripen. För att kunna göra detta behöver SAAB samla kunskaper om UAV:er i allmänhet och detta examensarbete är en del i denna process.

Detta examensarbete har utförts hos SAAB AB, avdelningen Future Products i Linköping. Syftet var att ta fram styrlagar som möjliggör autonom landning för en UAV. Även en kortare utredning om vilka sensorer som kan komma att behövas ingick i examensarbetet.

Slutsatserna visar att ytterligare förbättringar behövs innan en autonom landning kan genomföras med den algoritm som tagits fram inom ramen för detta examensarbete. Bland annat behöver man ta hänsyn till turbulens. Vad gäller val av sensorer kan man i början använda sig av standard produkter som är kommersiellt tillgängliga för att reducera kostnaderna i projektet.

At SAAB AB there are projects running whose purpose is to develop an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to be used as a complement to ordinary aircrafts like Gripen. In order to do this SAAB has to collect generic knowledge about UAV:s and this final thesis is a part of this process.

This final thesis has been performed at SAAB AB in the department for Future Products in Linköping. The purpose was to develop control algorithms which makes autonomous landing possible for UAV:s. A brief investigation about which sensors that may have to be used was also performed as a part of the final thesis.

The conclusions show that further improvements are needed before an autonomous landing can be carried out with the algorithm that was developed within the scope of this thesis. Among other things, turbulence must be taken into consideration. Regarding the sensors, it is possible to start out with commercial of the shelf (COTS) products in order to decrease costs in the project.

För att mobila robotar skall kunna arbeta strukturerat krävs det att de har kännedom om hur omgivningen ser ut. Omgivningen kan antingen vara förprogrammerad eller så görs roboten självlärande. På Saab Bofors Dynamics i Linköping arbetas det med en mobil testplattform kallad Freke, som används för att bland annat utveckla och utvärdera navigeringslösningar. Intresse fanns för att vidareutveckla plattformen och få den att klara arbeta i okända miljöer. Ett första steg mot detta mål var att få systemet att kunna rita upp en egen karta utan tidigare kännedom om dess omgivningar.

Uppgiften för det här examensarbetet blev därför att utveckla och implementera ett autonomt system som klarar att navigera och utforska en begränsad omgivning samt att rita upp en karta över densamma. Under litteraturstudien hittades inte någon färdig lösning som gick att applicera på den givna plattformen. Lösningen på uppgiften blev istället att utveckla ett eget system, direkt anpassat för den aktuella plattformen. Hela systemet utvecklades från grunden och implementerades till en praktiskt fungerande lösning.

Plattformen som används består av ett fordonschassi med tre hjul, varav två är drivande och utrustade med pulsgivare som används för att beräkna hur fordonet kör. Plattformen är även utrustad med ultraljudssensorer för att kunna mäta avstånd till närliggande hinder och väggar runt fordonet. Navigeringen sker genom att fordonet följer väggar och detekterar korsningar och öppningar som det senare kan återvända till och utforska vidare. Resultatet av karteringen genereras som en png-bild.

Med den begränsade hårdvara som fanns att tillgå hölls förväntningarna på arbetet relativt låga med ett mål att få fram en tolkningsbar karta. Resultatet blev långt över förväntan med tydliga skalenliga kartor som visar detaljer som ingen trodde skulle synas i resultatet.

Målet med CyberSwan er å lage en generell plattform for et autonomt ubemannet fly. Gjennom arbeidet som er beskrevet i denne rapporten er det kommet frem til et egnet instrumenteringsplattform for CyberSwan. Med instrumenteringssystemet som er beskrevet, styres flyet i utgangspunktet manuelt, men med en bryter på en manuell modellflyradiosender settes flyet i autonom modus. CyberSwan styrer seg selv så lenge denne bryteren holdes inne. Instrumenteringssystemet er bygget rundt en PC/104 plattform som består av en PC/104 CPU enhet med lagring på et 2.0 GB Compact Flash-kort. Det er utviklet et IO-kort til PC/104 enheten som gjør det mulig å koble til IMU, GPS, pitotrør, mottager for manuell styring og seks servoer til alle rorene og fartsregulator i CyberSwan. Strømforsyningen til instrumenteringssystemet er også lagt på dette IO-kortet. Styringssystemet kjøres på PC/104 enheten under Linux. Det er lagt inn programvare som gjør det mulig å overføre filer og starte opp styressystemet over Ethernet. Det er utviklet en plattform i Simulink hvor CyberSwan sitt styresystem kan legges til. Denne plattformen inneholder blokker som kommuniserer med alle IO-enhetene i CyberSwan. Denne plattformen er godt beskrevet sammen med utviklingsmiljøet som ble brukt på arbeidsstasjonen. CyberSwan sin viktigste målenhet er IMU. IMUen gir tilstrekkelig informasjon til at CyberSwan sitt styresystem kan stabilisere flyet mot en gitt retning. Denne IMUen er testet med gode resultater sammen med utviklet pådragsorgan til servoene under autonom flyvning. Det er funnet frem til en GPS-modul som egner seg i CyberSwan. Modulen er liten og enkel å bruke, og den er integrert i plattformen i Simulink. Det er også funnet frem til en trykksensor som egner seg å bruke i et pitotrør for måling av hastighet. Denne målingen er ikke fullstendig integrert i instrumenteringssystemet, men trykkmåleren er testet og det er laget tilkobling til trykksensoren på IO-kortet. Det er laget en mottaksenhet for seks servosignaler som er integrert i plattformen i Simulink. Når en modellflymottager kobles til disse inngangene, får styresystemet tilgang til servopådragene under manuell styring. Styresystemet vil dermed til en hver tid kjenne servoenes posisjon selv under manuell styring. En komponent på IO-kortet fungerer ikke som forventet slik at en ikke får utnyttet det fulle potensiale IO-kortet har. Komponenten gjør at det ikke er mulig å måle manuelle servosignaler fra mottager under autonom flyvning. Dette er ikke kritisk for å kunne fly autonomt, men gir begrenset loggemuligheter og kompliserer bruken av CyberSwan. Denne enheten bør derfor byttes ut med en annen enheten i et eventuelt oppfølgingsprosjekt. Det gjenstår en del arbeid for å fullføre integreringen av alle målingene i CyberSwan sitt instrumenteringssystem, men grunnlaget er lagt og resultatene viser at de delene som er fullført, fungerer som forventet.

The aim of the Master’s Thesis work is to study and develop algorithms for autonomous travel of a UGV (Unmanned Ground Vehicle). A vehicle for the mounting of sensors has been constructed in order to perform the work. Since the UGV is to be used outdoor in urban areas, GPS can be used. To improve precision and robustness, inertial navigation is used in addition to GPS, since GPS reception is likely to be diminished in such areas. The sensors used for navigation are consequently GPS, magnetometers, accelerometers, gyroscopes, tachometers and ultra sonic sensors measuring distance to be used in detection of obstacles. The system has been implemented in Matlab. Two alternative methods of navigation with sensor fusion have been developed; one is a decentralized method with Kalman filtering using an error model and the other is a centralized particle filter using an all-embracing model of the vehicle. The two methods have been evaluated and compared. Test results show that the two methods perform equivalently.

The autonomous travel is undertaken between predetermined waypoints. In order to steer the vehicle a PID-controller based on the error between heading and its reference value is used. The computation of the reference value is based on position and heading in comparison to the desired path. The system has been tested using different routes and the results show an evident improvement of the precision in navigation compared to using only GPS-data. This holds for both navigation methods. Simulation of collision avoidance using virtual force fields shows satisfying results as well as terrain navigation with coordinate map referencing.

Examensarbetet är en studie i utveckling av algoritmer för autonom förflyttning av en UGV (eng Unmanned Ground Vehicle). För ändamålet har en farkost konstruerats där budgetsensorer för navigering används. Farkosten är tänkt att färdas utomhus i tätbebyggt område och GPS används. För förbättring av noggrannhet och robusthet vid dålig GPS-mottagning används även sensorer för tröghetsnavigering vilket här innebär magnetometrar, accelerometrar, gyron och tachometrar. För hinderdetektering finns avståndsmätande ultraljudssonar. Systemet som tagits fram har implementerats i realtid i Matlab. Två olika navigeringsmetoder med sensorfusion har utprovats; en decentraliserad variant med kalmanfilter som är uppbyggd kring felmodeller och en centraliserad variant med ett partikelfilter som använder en helhetsmodell för farkosten. De båda navigeringsmetoderna har utvärderats och jämförts. Resultat visar att de båda metoderna presterar likvärdigt.

Den autonoma förflyttningen utförs mellan förutbestämda brytpunkter. För att styra farkosten har en PID-regulator baserad på felet mellan kurs och börvärde använts. Börvärdet på kurs baseras på nuvarande position och riktning relativt den önskade färdvägen. Olika körsituationer har testats och resultaten visar en markant förbättring av navigeringsprecisionen jämfört med endast GPS-mätningar för både kalman- och partikelfilter. Simuleringar på vektorfältsstyrning med virtuella kraftfält för att undvika hinder har utförts med goda resultat liksom simuleringar av kartreferenspositionering.

I detta examensarbete har ett system för navigering och styrning av ett autonomt fordon implementerats. Syftet med detta arbete är att vidareutveckla fordonet som ska användas vid utvärdering av banplaneringsalgoritmer och studier av andra autonomifunktioner. Med hjälp av olika sensormodeller och sensorkonfigurationer går det även att utvärdera olika strategier för navigering. Arbetet har utförts utgående från en given plattform där fordonet endast använder sig av enkla ultraljudssensorer samt pulsgivare på hjulen för att mäta förflyttningar. Fordonet kan även autonomt navigera samt följa en enklare given bana i en känd omgivning. Systemet använder ett partikelfilter för att skatta fordonets tillstånd med hjälp av modeller för fordon och sensorer.

Arbetet är en fortsättning på projektet Collision Avoidance för autonomt fordon som genomfördes vid Linköpings universitet våren 2005.

In this thesis a system for navigation and control of an autonomous ground vehicle has been implemented. The purpose of this thesis is to further develop the vehicle that is to be used in studies and evaluations of path planning algorithms as well as studies of other autonomy functions. With different sensor configurations and sensor models it is also possible to evaluate different strategies for navigation. The work has been performed using a given platform which measures the vehicle’s movement using only simple ultrasonic sensors and pulse encoders. The vehicle is able to navigate autonomously and follow a simple path in a known environment. The state estimation is performed using a particle filter.

The work is a continuation of a previous project, Collision Avoidance för autonomt fordon, at Linköpings University in the spring of 2005.