Localización a largo plazo de vehículos aéreos no tripulados basada en la percepción tridimensional del entorno

Resumen

Los vehículos aéreos no tripulados (UAVs por sus siglas en inglés, Unmanned Aerial Vehicles) se utilizan actualmente en innumerables aplicaciones civiles y comerciales, y la tendencia va en aumento. Su operación en espacios exteriores libres de obstáculos basada en GPS (del inglés Global Positioning System) puede ser considerada resuelta debido a la disponibilidad de productos comerciales con cierto grado de madurez. Sin embargo, algunas aplicaciones requieren su uso en espacios confinados o en interiores, donde las señales del GPS no están disponibles. Para permitir la introducción de robots aéreos de manera segura en zonas sin cobertura GPS, es necesario mejorar la fiabilidad en determinadas tecnologías clave para conseguir una operación robusta del sistema, tales como la localización, la evitación de obstáculos y la planificación de trayectorias. Actualmente, las técnicas existentes para la navegación autónoma de robots móviles en zonas sin GPS no son suficientemente fiables cuando se trata de robots aéreos, o no son robustas en el largo plazo. Esta tesis aborda el problema de la localización, proponiendo una metodología adecuada para robots aéreos que se mueven en un entorno tridimensional, utilizando para ello una combinación de medidas obtenidas a partir de varios sensores a bordo. Nos hemos centrado en la fusión de datos procedentes de tres tipos de sensores: imágenes y nubes de puntos adquiridas a partir de cámaras estéreo o de luz estructurada (RGB-D), medidas inerciales de una IMU (del inglés Inertial Measurement Unit) y distancias entre radiobalizas de tecnología UWB (del inglés Ultra Wide-Band) instaladas en el entorno y en la propia aeronave. La localización utiliza un mapa 3D del entorno, para el cual se presenta también un algoritmo de mapeado que explora las sinergias entre nubes de puntos y radiobalizas, con el fin de poder utilizar la metodología al completo en cualquier escenario dado. Las principales contribuciones de esta tesis doctoral se centran en una cuidadosa combinación de tecnologías para lograr una localización de UAVs en interiores válida para operaciones a largo plazo, de manera que sea robusta, fiable y eficiente computacionalmente. Este trabajo ha sido validado y demostrado durante los últimos cuatro años en el contexto de diferentes proyectos de investigación relacionados con la localización y estimación del estado de robots aéreos en zonas sin cobertura GPS. En particular en el proyecto European Robotics Challenges (EuRoC), en el que el autor participa en la competición entre las principales instituciones de investigación de Europa. Los resultados experimentales demuestran la viabilidad de la metodología completa, tanto en términos de precisión como en eficiencia computacional, probados a través de vuelos reales en interiores y siendo éstos validados con datos de un sistema de captura de movimiento.