A cooperative navigation system with distributed architecture for multiple unmanned aerial vehicles

Abstract

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have been widely used in many applications due to, among other features, their versatility, reduced operating cost, and small size. These applications increasingly demand that features related to autonomous navigation be employed, such as mapping. However, the reduced capacity of resources such as, for example, battery and hardware (memory and processing units) can hinder the development of these applications in UAVs. Thus, the collaborative use of multiple UAVs for mapping can be used as an alternative to solve this problem, with a cooperative navigation system. This system requires that individual local maps be transmitted and merged into a global map in a distributed manner. In this scenario, there are two main problems to be addressed: the transmission of maps among the UAVs and the merging of the local maps in each UAV. In this context, this work describes the design, development, and evaluation of a cooperative navigation system with distributed architecture to be used by multiple UAVs. This system uses proposed structures to store the 3D occupancy grid maps. Furthermore, maps are compressed and transmitted between UAVs using algorithms specially proposed for these purposes. Then the local 3D maps are merged in each UAV. In this map merging system, maps are processed before and merged in pairs using suitable algorithms to make them compatible with the 3D occupancy grid map data. In addition, keypoints orientation properties are obtained from potential field gradients. Some proposed filters are used to improve the parameters of the transformations among maps. To validate the proposed solution, simulations were performed in six different environments, outdoors and indoors, and with different layout characteristics. The obtained results demonstrate the effectiveness of thesystemin the construction, sharing, and merging of maps. Still, from the obtained results, the extreme complexity of map merging systems is highlighted.

Os veículos aéreos não tripulados (VANTs) têm sidoamplamenteutilizados em muitas aplicações devido, entre outrosrecursos,à sua versatilidade, custo de operação e tamanho reduzidos. Essas aplicações exigem cadavez mais que recursos relacionados à navegaçãoautônoma sejam empregados,como o mapeamento. No entanto, acapacidade reduzida de recursos como, por exemplo, bateria e hardware (memória e capacidade de processamento) podem atrapalhar o desenvolvimento dessas aplicações em VANTs.Assim, o uso colaborativo de múltiplosVANTs para mapeamento pode ser utilizado como uma alternativa para resolvereste problema, criando um sistema de navegaçãocooperativo. Estesistema requer que mapas locais individuais sejam transmitidos efundidos em um mapa global de forma distribuída.Nesse cenário, há doisproblemas principais aserem abordados:a transmissão dosmapas entre os VANTs e afusão dos mapas locais em cada VANT. Nestecontexto, estatese apresentao projeto, desenvolvimento e avaliaçãode um sistema de navegação cooperativo com arquitetura distribuída para ser utilizado pormúltiplos VANTs. Este sistemausa estruturas propostas para armazenaros mapasdegradedeocupação 3D. Além disso, os mapas são compactados e transmitidos entre os VANTs usando os algoritmos propostos. Em seguida, os mapas 3D locais são fundidos em cada VANT. Neste sistemade fusão de mapas, os mapas são processados antes e juntados em pares usando algunsalgoritmos adequados para torná-los compatíveiscom os dados dos mapas da grade de ocupação 3D. Além disso, as propriedadesde orientação dos pontoschave são obtidas a partir de gradientes de campos potenciais. Alguns filtros propostos são utilizadospara melhorar as indicações dos parâmetros dastransformações entre mapas. Paravalidar a aplicação proposta, foram realizadas simulações em seis ambientes distintos, externos e internos, e com características construtivas distintas. Os resultados apresentados demonstram a efetividade do sistema na construção, compartilhamento e fusão dos mapas. Ainda, a partir dos resultados obtidos, destaca-se a extrema complexidade dos sistemas de fusão de mapas.