title: Design and implementation of an integrated navigation device for unmanned aerial vehicles
title: Σχεδίαση και υλοποίηση μιας ολοκληρωμένης συσκευής πλοήγησης για μη επανδρωμένα ιπτάμενα οχήματα
Creators: name: Αντωνοπουλος Αγγελος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2021

description: Nowadays, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), commonly known as “Drones” have gained popularity in our everyday life. The functionality provided by those vehicles allows their usage in many applications. Such applications can be recreational, professional as well as applications which can have a higher impact in our lives. Aerial imaging, 3D mapping, precision agriculture as well as search and rescue missions are just some examples of how UAVs can influence our lives. Many of these scenarios require navigation. The navigation process can be executed by either the operator or  an on-board flight command module autonomously. Both cases require continuous spatial awareness throughout the flight. Modern UAVs rely on Global Navigation Satellite Systems (GNSS) for their positioning and navigation. However, numerous scenarios require UAV operation in GNSS denied environments.

The aim of this study is the design and implementation of an integrated UAV navigation system which can be autonomously adjusted to the flight environment, providing spatial awareness to both the UAV and the operator.

The system designed and implemented in this study expands the functionality of UAVs as it allows navigation in different environments, while providing autonomous geolocation abilities. The system was designed as an auxiliary module of a UAV. A custom hexacopter was utilized as a host development and testing platform. Continuous spatial awareness is provided by a multi-tier localization architecture. GNSS estimations, inertial data acquired by an inertial measurement unit (IMU) as well as visual-depth perception data provided by an RGB-D sensor are combined to ensure continuous localization. Moreover, the system facilitates a geolocation module with the ability to autonomously track and estimate the position of objects in the flight area. The autonomous  geolocation process is enabled by the use of a three-axis motorized gimbal system which houses a camera, integrated rotary encoders as well as distance measuring equipment. The implemented system was tested and evaluated in both simulated and actual flight conditions in multiple environments.  
description: Στην εποχή μας, τα συστήματα μη επανδρωμένων αεροσκαφών (ΣμηΕΑ), γνωστά και ως “Drones”,  έχουν εισέλθει στην καθημερινότητα μας. Μέσω των δυνατοτήτων τους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πολλαπλές εφαρμογές οι οποίες καλύπτουν ανάγκες ψυχαγωγίας και διασκέδασης, ανάγκες επαγγελματικής φύσεως, καθώς επίσης και για εφαρμογές που μπορούν να έχουν άμεση και σημαντική επίδραση στην ζωή μας. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα σημερινών εφαρμογών αποτελούν η εναέρια καταγραφή εικόνας, η χαρτογράφηση και τρισδιάστατη αποτύπωση περιοχών και εκτάσεων, η γεωργία ακριβείας καθώς επίσης αποστολές έρευνας και διάσωσης. Ένα μεγάλο σύνολο από τα σενάρια που εκτελούνται απαιτεί την πλοήγηση του οχήματος στον χώρο, είτε μέσω ενός χειριστή είτε μέσω ενός αυτόνομου συστήματος. Προκειμένου να μπορέσει να εκτελεστεί η διαδικασία της πλοήγησης, απαιτείται η διαρκής χωρική επίγνωση κατά την εκτέλεση της πτήσης. Τα σύγχρονα οχήματα βασίζονται κυρίως σε δορυφορικά συστήματα εντοπισμού θέσης για την πλοήγηση τους στον χώρο. Παρά την εύρυθμη λειτουργία αυτών των συστημάτων, τα μη επανδρωμένα οχήματα μπορεί να χρειαστεί να δράσουν σε περιβάλλοντα τα οποία δεν καλύπτονται επαρκώς από δορυφορικά συστήματα. 
Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η σχεδίαση και η υλοποίηση ενός συστήματος πλοήγησης το οποίο θα μπορεί να προσαρμόζεται στις παραμέτρους του εκάστοτε περιβάλλοντος πτήσης. Το σύστημα θα πρέπει να παρέχει στο αεροσκάφος και στον χειριστή αυτού, χωρική πληροφορία σχετικά με το ίδιο το αεροσκάφος καθώς και αντικείμενων που βρίσκονται στην περιοχή της πτήσης. 
Το σύστημα το οποίο σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε για τους σκοπούς της συγκεκριμένης εργασίας, επεκτείνει τις δυνατότητες των ΣμηΕΑ καθώς μέσω του αυτού μπορεί να πραγματοποιηθεί πλοήγηση σε πολλαπλά περιβάλλοντα, ενώ παράλληλα παρέχεται και η δυνατότητα αυτόνομου προσδιορισμού θέσης αντικειμένων του χώρου δράσης. Το σύστημα υλοποιήθηκε ως ένα βοηθητικό εξάρτημα για τα ΣμηΕΑ. Το αεροσκάφος το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως πλατφόρμα ανάπτυξης και δοκιμής, πρόκειται για ένα πρωτότυπο εξακόπτερο όχημα. Το σύστημα αποκτά χωρική αντίληψη μέσω μίας πολυεπίπεδης αρχιτεκτονικής η οποία συνδυάζει δεδομένα από δορυφορικά συστήματα πλοήγησης (GNSS), αδρανειακές παρατηρήσεις που παρέχονται μέσω του αδρανειακού συστήματος (IMU) του αεροσκάφους, καθώς και οπτικά δεδομένα που περιέχουν τη συνιστώσα του βάθους (RGB-D). Επιπλέον, το σύστημα μπορεί να προσδιορίσει τη θέση αντικειμένων του χώρου πτήσης με συνεχόμενη αυτόνομη στόχευση αυτών. Η δυνατότητα αυτή επιτυγχάνεται με τη χρήση περιστρεφόμενου μηχανισμού στόχευσης ο οποίος φέρει κάμερα ορατού φάσματος, αισθητήρες μέτρησης γωνιών (Encoders) και απόστασης (Rangefinder). Η λειτουργία του συστήματος εξετάστηκε τόσο σε εργαστηριακό περιβάλλον με προσομοιωμένα ερεθίσματα, όσο και σε πραγματικές πτήσεις υπό διάφορες συνθήκες.