Control and navigation of unmanned aerial vehicles based on computer vision for assistance robotics

Summary: Unmanned aerial vehicles (UAVs), commonly known as drones, have gained great popularity in recent years. Given their characteristics, they can be used to access remote or difficult-to-reach points without requiring the intervention of an onboard operator. In this sense, technological advances are directing towards totally autonomous UAVs, i.e., those aircraft that can perform a complete flight, from take-off to landing, without being controlled or supervised by an operator on the ground. This doctoral dissertation is framed in this area of autonomous UAVs. The research focuses on the development of control algorithms and navigation solutions for autonomous UAVs based on computer vision. The final objective is their use in assistance robotics, mainly for home care of dependents or elderly persons. These people require assistance to perform daily tasks and, in many cases, they are forced to leave their homes to receive care in specialized centers. However, this situation is not usually their preference. This, together with the problems they suffer, leads to a loss of quality of life. To counteract this situation, it is essential to increase the autonomy of these people, and for that, technology should play a fundamental role. At this point, unmanned aerial vehicles represent a new model of assistant flying robots. This thesis proposes the use of UAVs equipped with cameras to monitor the dependent's activities. This way, the information grabbed is processed to determine the person's state and the assistance required at each time. The aim is that dependent people live at their home as long as they wish, receiving the necessary attention. Bringing such UAV assistants into real homes is, however, a complex goal in which multiple challenges need to be addressed. Both human and technical factors must be considered. In this sense, this doctoral thesis contributes by addressing three main topics: (a) the use of computer vision in the navigation and flight control of autonomous UAVs, (b) the development of new robust control algorithms and navigation solutions for different models of UAV, and finally, (c) the study of the feasibility of computer-vision based UAVs as assistants of dependent people both indoor (at home) and outdoor environments. Resumen: Los vehiculos aereos no tripulados (unmanned aerial vehicles, UAVs), comunmente conocidos como drones, han ganado gran popularidad en los ultimos anos. Dadas sus caracteristicas, pueden utilizarse para acceder a puntos remotos o de dificil acceso sin la intervencion de un operador a bordo. En este sentido, el avance tecnologico se dirige hacia los UAVs totalmente autonomos, es decir, aquellas aeronaves que pueden realizar un vuelo completo, desde el despegue hasta el aterrizaje, sin ser controladas o supervisadas por un operador en tierra. En esta area de UAVs autonomos se enmarca esta tesis doctoral. La investigacion se centra en el desarrollo de algoritmos de control y soluciones de navegacion para UAVs autonomos basados en vision artificial. El objetivo final es su uso en robotica asistencial, principalmente para la atencion domiciliaria de personas dependientes o ancianos. Estas personas requieren asistencia para realizar las tareas diarias y, en muchos casos, se ven obligadas a abandonar sus hogares para recibir atencion en centros especializados. Sin embargo, esta situacion no suele ser su preferencia. Esto, junto con los problemas que sufren, lleva a una perdida de calidad de vida. Para contrarrestar esta situacion, es esencial aumentar la autonomia de estas personas, y para eso, la tecnologia debe jugar un papel fundamental. En este punto, los vehiculos aereos no tripulados pueden representan un nuevo modelo de robots voladores asistentes. Esta tesis propone el uso de UAVs equipados con camaras para monitorizar la actividad de los dependientes. De esta manera, la informacion obtenida puede procesarse para determinar el estado de la persona y la asistencia requerida en cada momento. El objetivo es que las personas dependientes puedan vivir en el hogar, siempre que lo deseen, recibiendo la atencion necesaria. Llevar a dichos UAVs asistentes a hogares reales es, sin embargo, un objetivo complejo en el que deben abordarse multiples desafios. Tanto los factores humanos como los tecnicos deben ser considerados. En este sentido, esta tesis doctoral contribuye abordando tres temas principales: (a) el uso de la vision artificial en la navegacion y el control de vuelo de los UAV autonomos, (b) el desarrollo de nuevos algoritmos de control robustos y soluciones de navegacion para diferentes modelos de UAV, y finalmente,(c) el estudio de la viabilidad de los UAVs basados en vision artificial como asistentes de personas dependientes tanto en interiores (en casa) como en exteriores.