Μελέτη και κατασκευή μη επανδρωμένου αεροσκάφους (Drone) με δυνατότητα υψηλής ακρίβειας προσγείωσης με χρήση Computer Vision
Research and construction of an unmanned aircraft vehicle (Drone) with the ability of high precision landing using Computer Vision
Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία
Συγγραφέας
Κοτσιφάκης, Ιωάννης
Ημερομηνία
2024-03-15Επιβλέπων
Voutsinas, StylianosΛέξεις-κλειδιά
Unmanned aerial vehicle (UAV) ; Precision landing ; Computer vsion ; ArUco marker system ; Camera calibration ; High-accuracy positioning ; Real-time processing ; Drone applications ; Unmanned aerial vehicle (UAV) navigation ; Προσγειώσεις υψηλής ακρίβειας ; Σύστημα δεικτών ArUco ; Πλοήγηση μη επανδρωμένων αεροσκαφώνΠερίληψη
The development of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technology has gained considerable momentum in recent years, with a particular focus on enhancing capabilities for precise and controlled landings. This master's thesis deals with the research and construction of an unmanned aircraft with a specialized emphasis on achieving high-precision landings using computer vision technologies. The study investigates OpenCV, ArUco markers and the Raspberry Pi 5 as a companion computer for the flight controller.
The motivation behind this research stems from the growing demand for UAVs in various applications, such as domain surveillance, identification, and delivery services. Achieving high-precision landings is crucial to optimizing these applications, as it allows for safe and accurate landing in restricted or dynamic environments. The thesis aims to contribute to the field by designing and implementing a robust system that leverages computer vision techniques to enhance accurate landing of UAVs.
The fundamental technology explored in this thesis is OpenCV, a widely used open source computer vision library. OpenCV provides a flexible set of algorithms for image processing, object detection and feature tracking – key elements for developing a high-precision landing system. The ArUco Marker system is utilized by computer vision and is a central element of the proposed methodology.
The hardware architecture chosen for this research includes a Raspberry Pi 5, serving as the flight controller's companion computer. The Raspberry Pi 5 provides the computing power needed for real-time image processing and decision-making during the landing phase. The integration of an companion computer enhances the autonomous functions of the UAV, allowing it to run complex algorithms without overloading the flight controller.
An important aspect of the thesis is the development of Python code that implements the precise landing of the drone on a basis consisting of ArUco markers. The code incorporates image processing algorithms from OpenCV to detect and analyze ArUco markers in real time. By utilizing ArUco indicators, the algorithm allows the drone to calculate its position and orientation relative to the indicators, facilitating a controlled descent and landing.
The research methodology involves a combination of theoretical analysis, algorithm development and practical application. Theoretical aspects include a comprehensive review of existing literature on UAV landing systems and OpenCV operations. Algorithm development involves the design and coding of image processing and control algorithms adapted for high-precision landings and commands to manipulate the UAV. Practical implementation includes building the drone, developing the Python code, and extensive testing in real-world scenarios.
In conclusion, this thesis explores the intersection of UAV technology, computer vision, and high-precision landings. By integrating OpenCV, ArUco indicators and Raspberry Pi 5, the research aims to develop a reliable and effective system to enhance drone landing capabilities. The results of this study have the potential to influence developments in UAV applications, particularly in areas that require precise and controlled landings.
Περίληψη
Η ανάπτυξη της τεχνολογίας των μη επανδρωμένων αεροσκαφών (UAV) έχει αποκτήσει σημαντική δυναμική τα τελευταία χρόνια, με ιδιαίτερη έμφαση στην ενίσχυση των δυνατοτήτων για ακριβείς και ελεγχόμενες προσγειώσεις. Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή ασχολείται με την έρευνα και την κατασκευή ενός μη επανδρωμένου αεροσκάφους με εξειδικευμένη έμφαση στην επίτευξη προσγειώσεων υψηλής ακρίβειας χρησιμοποιώντας τεχνολογίες υπολογιστικής όρασης. Η μελέτη διερευνά το OpenCV, τους δείκτες ArUco και το Raspberry Pi 5 ως συνοδευτικό υπολογιστή για τον ελεγκτή πτήσης.
Το κίνητρο πίσω από αυτή την έρευνα πηγάζει από την αυξανόμενη ζήτηση για UAV σε διάφορες εφαρμογές, όπως η επιτήρηση τομέα, η αναγνώριση και οι υπηρεσίες παράδοσης. Η επίτευξη προσγειώσεων υψηλής ακρίβειας είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτιστοποίηση αυτών των εφαρμογών, καθώς επιτρέπει την ασφαλή και ακριβή προσγείωση σε περιορισμένα ή δυναμικά περιβάλλοντα. Η διατριβή στοχεύει να συμβάλει στο πεδίο με το σχεδιασμό και την εφαρμογή ενός ισχυρού συστήματος που αξιοποιεί τεχνικές υπολογιστικής όρασης για την ενίσχυση της ακριβούς προσγείωσης των UAV.
Η θεμελιώδης τεχνολογία που διερευνάται σε αυτή τη διατριβή είναι το OpenCV, μια ευρέως χρησιμοποιούμενη βιβλιοθήκη όρασης υπολογιστή ανοιχτού κώδικα. Το OpenCV παρέχει ένα ευέλικτο σύνολο αλγορίθμων για την επεξεργασία εικόνας, την ανίχνευση αντικειμένων και την παρακολούθηση χαρακτηριστικών, βασικά στοιχεία για την ανάπτυξη ενός συστήματος προσγείωσης υψηλής ακρίβειας. Το σύστημα ArUco Marker αξιοποιείται από την υπολογιστική όραση και αποτελεί κεντρικό στοιχείο της προτεινόμενης μεθοδολογίας.
Η αρχιτεκτονική υλικού που επιλέχθηκε για αυτή την έρευνα περιλαμβάνει ένα Raspberry Pi 5, που χρησιμεύει ως συνοδευτικός υπολογιστής του ελεγκτή πτήσης. Το Raspberry Pi 5 παρέχει την υπολογιστική ισχύ που απαιτείται για την επεξεργασία εικόνας σε πραγματικό χρόνο και τη λήψη αποφάσεων κατά τη φάση της προσγείωσης. Η ενσωμάτωση ενός συνοδευτικού υπολογιστή ενισχύει τις αυτόνομες λειτουργείες του UAV, επιτρέποντάς του να εκτελεί πολύπλοκους αλγόριθμους χωρίς να επιβαρύνει υπερβολικά τον ελεγκτή πτήσης.
Σημαντική πτυχή της διατριβής είναι η ανάπτυξη κώδικα Python που υλοποιεί την ακριβή προσγείωση του drone σε βάση αποτελούμενη από δείκτες ArUco. O κώδικας ενσωματώνει αλγόριθμους επεξεργασίας εικόνας από το OpenCV για την ανίχνευση και ανάλυση των δεικτών ArUco σε πραγματικό χρόνο. Με την αξιοποίηση των δεικτών ArUco, ο αλγόριθμος επιτρέπει στο drone να υπολογίσει τη θέση και τον προσανατολισμό του σε σχέση με τους δείκτες, διευκολύνοντας μια ελεγχόμενη κάθοδο και προσγείωση.
Η μεθοδολογία της έρευνας περιλαμβάνει συνδυασμό θεωρητικής ανάλυσης, ανάπτυξης αλγορίθμων και πρακτικής εφαρμογής. Οι θεωρητικές πτυχές περιλαμβάνουν μια ολοκληρωμένη ανασκόπηση της υπάρχουσας βιβλιογραφίας σχετικά με τα συστήματα προσγείωσης UAV και τις λειτουργίες του OpenCV. Η ανάπτυξη αλγορίθμων περιλαμβάνει το σχεδιασμό και την κωδικοποίηση αλγορίθμων επεξεργασίας και ελέγχου εικόνας προσαρμοσμένων για προσγειώσεις υψηλής ακρίβειας και εντολές για τον χειρισμό του UAV. Η πρακτική εφαρμογή περιλαμβάνει την κατασκευή του drone , την ανάπτυξη του κώδικα Python και εκτεταμένες δοκιμές σε πραγματικά σενάρια.
Συμπερασματικά, η διατριβή αυτή διερευνά τη διασταύρωση της τεχνολογίας UAV, της όρασης υπολογιστών και των προσγειώσεων υψηλής ακρίβειας. Με την ενσωμάτωση του OpenCV, των δεικτών ArUco και του Raspberry Pi 5, η έρευνα στοχεύει στην ανάπτυξη ενός αξιόπιστου και αποτελεσματικού συστήματος για την ενίσχυση των δυνατοτήτων προσγείωσης μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης έχουν τη δυνατότητα να επηρεάσουν τις εξελίξεις στις εφαρμογές UAV, ιδιαίτερα σε τομείς που απαιτούν ακριβείς και ελεγχόμενες προσγειώσεις.