Drone(s) trajectory optimization for mapping missions
Optimisation de trajectoire de drone(s) pour des missions de cartographie
Résumé
Using Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in the context of Precision Agriculture (PA) can optimize farming management and increase agricultural productivity while protecting the environment. However, UAVs have certain limitations that must be considered when developing solutions. The problem framework for conducting mapping with a single or multiple UAVs can be divided into two subproblems: mapping mission planning, and UAV control. The former step defines the path for covering the area of interest in an efficient manner considering the UAV limitations, while the latter ensures that trajectory tracking of the planned path is successfully completed. In order to increase time efficiency and ensure an energy-aware mission, a novel approach for UAV battery management optimization of the mapping mission planning is proposed in this work. The developed strategy optimizes the use of batteries available for the mapping mission by minimizing the total flight distance and reducing the number of battery replacements. Removing unnecessary battery replacements reduces the overall mission time, but also avoids redundant battery recharging cycles. The resulting waypoint distribution from the mission planning represents the subpaths for a UAV with multiple batteries. In order to follow the planned path with minimal tracking error, a nonlinear predictive control approach for robust trajectory tracking is developed. This approach is finally extended to a mapping mission involving multiple cooperative UAVs, where mission safety is ensured primarily by considering collision avoidance.
L'utilisation des drones dans le contexte de l'agriculture de précision peut optimiser la gestion de l'exploitation et augmenter la productivité agricole tout en protégeant l'environnement. Toutefois, les drones présentent certaines limites qui doivent être prises en compte lors du développement de solutions de sa mission. Le cadre du problème de la cartographie avec un ou plusieurs drones peut être divisé en deux sous-problèmes : la planification de la mission de cartographie et la pilotage du drone. La première étape définit la trajectoire à suivre pour couvrir la zone d'intérêt de manière efficace compte tenu des limites du drone, tandis que la seconde garantit que le suivi de la trajectoire planifiée est effectué avec succès. Afin d'augmenter l'efficacité temporelle et d'assurer une mission à faible dépense énergétique, une nouvelle approche pour l'optimisation de la gestion de la batterie du drone lors de la planification de la mission de cartographie est proposée dans ce travail. La stratégie développée optimise l'utilisation des batteries disponibles pour la mission de cartographie en minimisant la distance de vol totale et en réduisant le nombre de remplacements de batteries. La suppression des remplacements de batterie inutiles réduit la durée totale de la mission, mais évite également les cycles redondants de recharge de la batterie. La distribution des points d'intérêt résultant de la planification de la mission représente les sous-chemins de survol d'un drone doté de plusieurs batteries. Afin de suivre la trajectoire planifiée avec une erreur de suivi minimale, une approche de commande prédictive non linéaire pour un suivi de trajectoire robuste est développée. Cette approche est finalement étendue à une mission de cartographie impliquant plusieurs drones coopératifs, où la sécurité de la mission est assurée principalement en tenant compte de l'évitement des collisions.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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