Operación simultánea y sincronizada de múltiples RPA para aerofotogrametría.

Abstract

El presente informe desarrolla una forma de operación simultánea y sincronizada de múltiples RPAS por medio del uso del software Mission Planner. Para ello, se utilizaron dos multicópteros experimentales disponibles en el Laboratorio de Técnicas Aeroespaciales de la Universidad de Concepción. La operación simultanea de RPAS en agrupación es conocida como vuelo de enjambre (o también “drone Swarm” en inglés). Para que sea posible, cada drone debe poseer sensores y un hardware adecuado que lo convierta en un miembro compatible con el sistema. Una de las posibles aplicaciones de esta tecnología es la aerofotogrametría, una técnica de levantamiento topográfico que recaba información de una zona geográfica específica. Es posible equipar un multirrotor con diversos tipos de cámara al mismo tiempo, ya que en aerofotogrametría es ventajoso usar sensores que trabajen en diferentes rangos del espectro de la luz (multiespectral), para así incrementar la utilidad del producto. El inconveniente de ello es el tamaño del drone, dado que requiere una mayor capacidad de sustentación (por la mayor masa al cargar con múltiples sensores), lo que implica un mayor tamaño. Una alternativa a ello es, en vez de equipar a un drone de alta envergadura con múltiples cámaras, se habilite un enjambre de drones más pequeños, que vuele de forma coordinada y equipados con cámaras distintas, con la finalidad de recabar la misma cantidad de información que en el caso anterior. Esta propuesta es particularmente atractiva si se desea trabajar sobre una zona de difícil acceso, donde se deba transportar el equipo de forma manual, una situación compleja si se utiliza un drone demasiado masivo, tanto por sus dimensiones como por su peso. El método de sincronización explorado es mediante el uso de una función experimental en un software de control, que obtiene los datos de posición de un drone “guía” o “maestro” (definido como RPA 1) y se la entrega a los demás integrantes del enjambre con un cierto offset de posición predefinido (drone esclavo, definido como RPA 2). Para la operación, es imprescindible contar con tecnología GPS - RTK, ya que brinda una mayor precisión de posicionamiento que el sistema GPS tradicional, ofreciendo precisión en escala centimétrica. Esto es particularmente importante dado que el comportamiento del enjambre se guía por GPS, por lo que un alto nivel de incertidumbre en la posición es inadmisible. Se realizaron 3 vuelos de prueba exitosos, donde se aprecia el comportamiento de los RPA en funcionamiento en base a gráficos de posición generados de los datos de vuelo, basándose en el GPS RTK. En ellos se observa una clara sincronización entre ambos vehículos aéreos, pero se ve opacada en cierta medida por un limitante inesperado de hardware (telemetría, un componente clave). Pese a ello, se puede notar un retraso aproximado en los movimientos del RPA 2 de 1,5 segundos, comprobando así la usabilidad de esta infraestructura para aerofotogrametría, dado que el comportamiento de drone esclavo es notablemente consistente con la actitud de vuelo del drone maestro, siguiendo con certeza la trayectoria de este (con cierto desface).

This report develops a way of simultaneous and synchronized operation of multiple RPAS by means of the use of the Mission Planner software. For this purpose, two experimental multicopters available at the Aerospace Techniques Laboratory of the Universidad de Concepción were used. The simultaneous operation of RPAS in groups is known as swarm flight (also known as "drone swarm"). For this to be possible, each drone must have sensors and appropriate hardware that makes it a compatible member of the system. One of the possible applications of this technology is aerial photogrammetry, a surveying technique that collects information from a specific geographical area. It is possible to equip a multirotor with several types of camera at the same time, since in aerial photogrammetry it is advantageous to use sensors that work in different ranges of the light spectrum (multispectral), in order to increase the usefulness of the product. The disadvantage of this, is the size of the drone, since it requires a higher lift capacity (due to the higher mass when carrying multiple sensors), which implies a larger size. An alternative to this is, instead of equipping a large drone with multiple cameras, to enable a swarm of smaller drones, flying in a coordinated manner and equipped with different cameras, in order to collect the same amount of information as in the previous case. This proposal is particularly attractive if you want to work in a difficult access area, where the equipment must be transported manually, a complex situation if you use a drone too massive, both for its size and its weight. The synchronization method explored is through the use of an experimental function in a control software, which obtains the position data from a "guide" or "master" drone (defined as RPA 1) and delivers it to the other members of the swarm with a certain predefined position offset (slave drone, defined as RPA 2). GPS-RTK technology is essential for the operation, as it provides greater positioning accuracy than traditional GPS, offering centimeter-scale precision. This is particularly important since the swarm behavior is guided by GPS, therefore a high level of position uncertainty is unacceptable. Three successful test flights were performed, where the performance of the RPAs in operation based on position plots generated from the flight data, based on the GPS-RTK, can be seen. In them, a clear synchronization between both aerial vehicles is observed, but it is somewhat overshadowed by an unexpected hardware limitation (telemetry, a key component). Despite this, an approximate delay of 1.5 seconds in the movements of the RPA 2 can be noted, thus proving the usability of this infrastructure for aerial photogrammetry, since the slave drone behavior is remarkably consistent with the flight attitude of the master drone, following with certainty the trajectory of the latter (with some mismatch).