RT Dissertation/Thesis
T1 Arquitectura de software para navegación autónoma y coordinada de enjambres de drones en labores de lucha contra incendios forestales y urbanos
A1 Madridano Carrasco, Ángel
AB Los progresos alcanzados dentro del área de los Vehículos Aéreos No Tripulados,conocidos comúnmente como drones, han ocasionado un aumento exponencialde su mercado, gracias, principalmente, al desarrollo e implementación de solucionestecnológicas innovadoras. La capacidad de este tipo de aeronaves de poderembarcar un gran abanico de sensores provoca que, en la actualidad, se orienteel uso de esta tecnología a un amplio conjunto de aplicaciones y servicios, comoson las emergencias y, en concreto, aquellas relacionadas con los incendios, tantoforestales como urbanos.La aparición y crecimiento de empresas, como Drone Hopper S.L, cuya labor sedestina al diseño y fabricación de drones de alta capacidad de carga y autonomíadestinados a la lucha contra el fuego han provocado que dichas plataformas aéreasse posicionen como una potente y eficaz herramienta en el campo de las emergenciasy la seguridad. Actualmente, la empresa Drone Hopper se encuentra inmersaen el diseño y desarrollo de la plataforma WILD HOPPER, capaz de trasladarhasta 600 litros de carga útil y realizar maniobras eficaces en labores de extinciónde incendios, gracias, en gran parte, a su sistema patentado de liberación de líquidos.Junto a este sistema, los drones fabricados por Drone Hopper, presentan laventaja de poder realizar trabajos durante la noche, complementando los trabajosde los medios aéreos tradicionales y, en conjunto, superando las limitaciones deotras plataformas aéreas no tripuladas, cuyo uso en trabajos relacionados con losincendios se limitan a la monitorización y vigilancia de áreas de interés.En los últimos años, se ha producido el nacimiento y expansión de los denominadosenjambres de drones, o lo que es lo mismo, equipos escalables de variasaeronaves no tripuladas que operan de manera coordinada y que permiten explotarel uso de tecnologías como la desarrollada por la empresa Drone Hopper. Actualmente,la expansión de estos sistemas es fruto del crecimiento en las investigacionesy desarrollos dentro de este campo, ocasionado, principalmente, por las ventajasque presentan los enjambres de drones en términos de robustez, versatilidad y eficacia. La posibilidad de poder desplegar en un mismo área un conjunto de dronesque realicen tareas de manera coordinada provoca, en primer lugar, que se dispongade una herramienta robusta contra averías, en la que la pérdida de cualquiera de los drones intervinientes en la misión no implicaría el fracaso de la misma. Y, en segundo lugar, que se establezca una actuación eficaz ligada a la reducción deltiempo de respuesta y, a la posibilidad de acometer diferentes tareas de manerasimultánea. Junto a esto, destacar que el enjambre de drones no está únicamenterelacionado al uso de aeronaves no tripuladas con similares características, sinoque existe la posibilidad de emplear equipos heterogéneos de drones, o lo que es lomismo, desplegar sobre un mismo escenario drones con diferentes características,tanto a nivel estructural como de carga de pago, lo que origina que se disponga deuna herramienta tecnológica de alta versatilidad. Estas tres características conviertena los enjambres de drones en una herramienta tecnológica de alto valor añadidoen trabajos relacionados con la lucha contra el fuego, los cuales se caracterizan porel dinamismo, la adversidad, condiciones extremas y rápidamente cambiantes, enlas que el uso de sistemas robustos y versátiles presentan una alta aplicabilidad.Aunque junto a estas propiedades existe un aspecto, el cual sigue constituyendoun campo de estudio, investigación y desarrollo, como es la navegación autónomay cooperativa de dichos enjambres, lo que permitiría poder emplear esta tecnología sin supervisión humana en la zona, reduciendo de esta manera el riesgo yexposición de vidas humanas. Por este motivo, a lo largo del presente trabajo sedesarrolla e implementa una arquitectura de software multi-capa capaz de permitirla navegación autónoma y coordinada de un enjambre de drones para poderacometer trabajos esenciales en la lucha contra el fuego, tanto en áreas urbanascomo forestales. La arquitectura propuesta incluye un conjunto de métodos redundantesy complementarios que permiten establecer diferentes capas de control parapermitir la navegación sin supervisión y cooperativa del enjambre.La primera de las capas consiste en un planificador de trayectorias, basado eninformación del entorno en 2D y en 3D, que permite dotar a la arquitectura de unmétodo eficiente y escalable que genere como solución un conjunto de trayectoriasóptimas y seguras para que cada uno de los drones pueda alcanzar una ubicacióndeterminada en el entorno. Junto a la efectividad y la escalabilidad, el métodopropuesto se caracteriza por ser altamente configurable, la cual permite la generación de trayectorias en diferentes situaciones, entre las que destaca la posibilidadde establecer una solución que permita al enjambre de drones alcanzar un objetivoen cuestión bajo una formación concreta, de cara a realizar labores de extinciónde manera más eficaz.La segunda de las capas consta de un gestor de colisiones, formado por diferentesdesarrollos y algoritmos, que dotan al enjambre de un sistema de deteccióny evasión de obstáculos, tanto entre drones del enjambre como con obstáculos presentesen el entorno, que garanticen la navegación segura y libre de colisiones decada uno de los agentes del enjambre.Por último, la arquitectura de software desarrollada en la presente tesis doctoral busca dotar a cada agente del enjambre de un modelo de toma de decisionesinteligente, el cual permita a cada aeronave, de manera autónoma, escoger unasecuencia de acciones que le permita alcanzar un objetivo concreto. Este modelointeligente de toma de decisiones complementa a todos los métodos de la arquitecturapropuesta y, permite, de manera redundante establecer un desarrollo adicionalque garantice la navegación autónoma del enjambre en entornos dinámicos.La combinación de estos desarrollos bajo una misma arquitectura provoca eldespliegue de una flota de drones capaz de navegar y realizar trabajos de maneraautónoma y cooperativa sobre entornos adversos y dinámicos, como es el caso delos incendios. Por tanto, los trabajos y desarrollos de la presente tesis doctoral secentran en crear una herramienta tecnológica de alto valor añadido, a partir deldesarrollo de arquitecturas de software embarcadas en un enjambre escalable dedrones que, trabajando de manera coordinada, establezca una respuesta rápida,eficiente y robusta al problema de los incendios, tanto forestales como urbanos.
AB The progress achieved in the area of Unmanned Aerial Vehicles, commonlyknown as drones, has caused an exponential increase in its market, mainly thanksto the development and implementation of innovative technological solutions. Thecapacity of this type of aircraft to be able to embark on a wide range of sensorsmeans that, at present, the use of this technology is directed at a wide range ofapplications and services, such as emergencies and, specifically, those related tofires, both forest and urban.The appearance and growth of companies such as Drone Hopper S.L., whosework is aimed at the design and manufacture of high load capacity and autonomydrones for firefighting, has led to these aerial platforms being positioned asa powerful and effective tool in the field of emergencies and security. Currently,Dron Hopper is immersed in the design and development of the WILD HOPPERplatform, capable of carrying up to 600 liters of payload and perform effectivemaneuvers in fire fighting, thanks largely to its patented system of liquid release.Together with the system, the drones manufactured by Drone Hopper have theadvantage of being able to carry out work at night, complementing the work oftraditional aerial means and, as a whole, overcoming the limitations of other unmannedaerial platforms, whose use in fire-related work is limited to the monitoringand surveillance of areas of interest.In recent years, there has been the birth and expansion of the so-called droneswarms, or what is the same, scalable equipment from various unmanned aircraftthat operate in a coordinated manner and that allow the use of technologies such asthe one developed by the Drone Hopper company. Currently, the expansion of thesesystems is the result of the growth in research and development within this field,caused mainly by the advantages that drone swarms present in terms of robustness,versatility, and efficiency. The possibility of being able to deploy in the same areaa set of drones that carry out tasks in a coordinated way causes, in the first place,that a robust tool against breakdowns is available, in which the loss of any ofthe drones involved in the mission would not imply the failure of the same one.And, secondly, that an effective action is established, linked to the reduction of theresponse time and to the possibility of undertaking different tasks simultaneously.In addition to this, it is important to point out that the swarm of drones is notonly related to the use of unmanned aircraft with similar characteristics, but thatthere is also the possibility of using heterogeneous drone teams, or what is thesame, deploying drones with different characteristics on the same stage, both at astructural and payload level, which results in a highly versatile technological tool.These three characteristics make drone swarms a high value-added technologicaltool in firefighting related work, which is characterized by dynamism, adversity,extreme and rapidly changing conditions, in which the use of robust and versatilesystems have high applicability.Although together with these properties there is an aspect, which continues tobe a field of study, research, and development, as is the autonomous and cooperativenavigation of these swarms, which would allow the use of this technologywithout human supervision in the area, thus reducing the risk and exposure ofhuman lives. For this reason, throughout the present work, multi-layer softwarearchitecture is developed and implemented that is capable of allowing the autonomousand coordinated navigation of a swarm of drones to be able to undertakeessential fire-fighting work, both in urban and forest areas. The proposed architectureincludes a set of redundant and complementary methods that allow establishingdifferent control layers to enable unsupervised and cooperative navigationof the swarm.The first layer consists of a path planner, based on 2D and 3D environmentalinformation, which provides the architecture with an efficient and scalable methodthat generates a set of optimal and safe paths as a solution so that each of the dronescan reach a particular location in the environment. Along with the effectivenessand scalability, the proposed method is characterized by being highly configurable,which allows the generation of trajectories in different situations, among whichhighlights the possibility of establishing a solution that allows the swarm of dronesto reach a target in question under a specific training, to perform extinction workmore effectively.The second of the layers consists of a collision manager, formed by differentdevelopments and algorithms, which provide the swarm with a system for detectingand avoiding obstacles, both between drones of the swarm and with obstaclespresent in the environment, to ensure safe and collision-free navigation of each ofthe agents of the swarm.Finally, the software architecture developed in this doctoral thesis seeks toprovide each swarm agent with an intelligent decision-making model, which allowseach aircraft, autonomously, to choose a sequence of actions that will allow it toreach a speciffic objective. This intelligent decision-making model complements allthe methods of the proposed architecture and, redundantly, allows the establishmentof additional development that guarantees the autonomous navigation of the swarm in dynamic environments.The combination of these developments under the same architecture resultsin the deployment of a fleet of drones capable of navigating and working autonomouslyand cooperatively in adverse and dynamic environments, such as fires.Therefore, the work and developments of this doctoral thesis are focused on creatinga technological tool with high added value, from the development of softwarearchitectures embedded in a scalable swarm of drones that, working in a coordinatedmanner, establish a rapid, efficient and robust response to the problem offires, both forest and urban.
YR 2020
FD 2020-11
LK https://hdl.handle.net/10016/32463
UL https://hdl.handle.net/10016/32463
LA spa
DS e-Archivo
RD 30 jun. 2024