HEALTHDRONES - Uma Plataforma em Software para Controle de Veículos Não Tripulados e Planejamento de Trajetórias

Ano: 
2016
Nome do autor: 
ALBERTO ROGÉRIO E SILVA
Resumo: 
Veículos Aéreos Não Tripulados ou VANTs passaram a fazer parte do cotidiano de entusiastas, pesquisadores, empresas, etc., nas mais variadas aplicações onde a presença de pessoas é dificultada ou têm suas vidas postas em risco. Neste trabalho, busca-se analisar os mecanismos, possibilidades e meios de controle por meio de plataformas em software, que permitem interagir com drones de pequeno porte, de forma direta ou com um mínimo de interferência humana, em diferentes cenários de utilização. Uma das características dos veículos não tripulados, particularmente os aéreos, que mais tem despertado o interesse de pesquisadores é o fato de tais veículos possibilitarem a execução de tarefas ou missões ditas autônomas. Com um mínimo de informação sobre o ambiente que deverão sobrevoar, pode-se configurar completamente as ações e condições que propiciarão a tomada de decisões desses veículos, no sentido de evitarem colisões contra objetos próximos, desviarem e retornarem à trajetória da missão ou mesmo a abortarem. Com ênfase nesse tipo de atuação dos drones, apresenta-se neste trabalho uma abordagem por meio de algoritmo evolucionário, no caso, o algoritmo multiobjetivo NSGA-II [19], para o desenho de possíveis trajetórias que o drone poderá percorrer para realizar sua missão, saindo de um ponto de origem rumo a um ponto de destino sem colidir com obstáculos. Tal abordagem é fundamentada no levantamento de dois principais e igualmente importantes objetivos: executar a missão consumindo um mínimo de recursos necessários ao voo, como a carga de bateria; e reduzir o risco de colisões contra obstáculos fixos dispostos ao longo do trajeto. Para essa proposta de utilização, o algoritmo NSGA-II mostrou-se bastante eficaz na obtenção de um conjunto de soluções factíveis e conciliando os objetivos conflitantes considerados, fornecendo em um tempo de execução computacional viável para execução de missões, um trade-off de soluções bem distribuídas próximas à chamada frente convexa de Pareto. Além disso, é feito um levantamento sistemático e quantitativo do controle de navegabilidade permitido pelo drone por meio do desenvolvimento de uma nova aplicação em software, destacando sua precisão e eficiência para o uso em missões autônomas de veículos não tripulados de pequeno porte. Também é demonstrada a possibilidade de execução de programas e rotinas fazendo-se uso de recursos de hardware e software do próprio drone, levando-o à uma operação verdadeiramente autônoma. Como uma exemplo de aplicação contextualizada do emprego de drones voando de forma autônoma entre pontos de origem e destino e evitando obstáculos fixos, também é proposta, modelada e simulada uma situação onde o drone é utilizado como guia turístico aéreo em ambientes públicos, sendo esta uma das contribuições desse trabalho. Tal simulação, realizada com a ferramenta Arena, pode indicar a formação de filas de espera ou gargalos nos diversos setores do ambiente onde o tour se realiza, e que podem ser utilizada para analisar a viabilidade do uso do drone como um guia aéreo.
Abstract: 
Unmanned Aerial Vehicles or UAVs become part of everyday enthusiasts, researchers, companies, etc., in several kind of applications where the presence of people is difficult or have their lives put at risk. In this study, we try to analyze the mechanisms, possibilities and means of control through software platforms that allow to interact with small drones, either directly or with a minimum of human interference in different usage scenarios. One of the characteristics of unmanned vehicles, particularly air ones, and that has attracted attention of researchers is the fact that such vehicles make possible the execution of tasks or autonomous missions. With a minimum of environmental information that will fly over, we can completely configure the actions and conditions that will provide the decision-making of these vehicles in order to avoid collisions with nearby objects, divert and return to the path of mission or even aborting. With emphasis on this type of action of drones, this work presents an approach using evolutionary algorithm, specifically the multi-objective algorithm NSGA-II, the design of possible trajectories that the drone can go to accomplish its mission, leaving a point of course rise to a point of destination without colliding with obstacles. Such an approach is based on the statement of two main and equally important objectives: to execute the mission consuming a minimum of resources necessary for the flight, as the battery charge; and reduce the risk of collisions against fixed obstacles arranged along the path. For this proposed use, the NSGA-II algorithm proved to be very effective in getting a set of feasible solutions and reconciling the conflicting goals considered by providing in a low computational execution time, a trade-off well distributed solutions close to convex Pareto front. In addition, a systematic and quantitative survey of the navigability control allowed by the drone is made through the development of a new software application, highlighting its precision and efficiency for use in autonomous missions of small unmanned vehicles. It is also demonstrated the possibility of running programs and routines making use of hardware and software resources of the drone itself, leading to a truly autonomous operation. As an example of contextualized application of drones flying autonomously, it is also proposed, modeled and simulated an real situation where the drone is used as aerial tour guide in public places, this being one of the contributions of this work. Such simulation was performed with Arena tool, and it may indicate the formation of queues and bottlenecks in many sectors of the environment where the tour takes place, which would be usefull to analyse the efetiveness of the use of drone as an autonomous guide by the air.
Orientador: 
JONES OLIVEIRA DE ALBUQUERQUE
Co-Orientador: 
VICTOR WANDERLEY COSTA DE MEDEIROS
Data da defesa: 
quinta-feira, 1 Setembro, 2016