title: Development of a Drone-Rover Docking System for Autonomous  Transportation in Collaborative Environmental Monitoring Missions
title: Ανάπτυξη Συστήματος Σύζευξης Drone-Rover  για Αυτόνομη Μεταφορά σε Συνεργατικές Αποστολές Περιβαλλοντικής Παρακολούθησης
Creators: name: Χοκιας Κωνσταντινος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2018

description: Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αυτόνομη σύζευξη, αποσύζευξη και μεταφορά ενός μη επανδρωμένου επίγειου οχήματος από ένα μη επανδρωμένο εναέριο όχημα.
Σε μια εποχή όπου το εύρος χρήσης των μη επανδρωμένων οχημάτων έχει διευρυνθεί, το αποτέλεσμα της εργασίας θα μπορούσε ενσωματωθεί σε ένα μεγάλο αριθμό αυτόνομων συνεργατικών αποστολών ρομποτικών ομάδων. Με αυτόν τον τρόπο το μη επανδρωμένο επίγειο όχημα θα έχει την δυνατότητα να αποκτά πρόσβαση σε περιοχές δυσπρόσιτες, όπου σε διαφορετική περίπτωση θα κρινόταν απαραίτητη η φυσική παρουσία του ανθρώπου για την εκτέλεση της μεταφοράς. Κάποια ενδεικτικά παραδείγματα είναι οι περιπτώσεις όπου χρειάζεται πρόσβαση σε ταράτσα κτιρίου ή σε επικίνδυνες περιοχές.  

Η αρχική προσέγγιση των δυο αυτόνομων συστημάτων γίνεται με την βοήθεια του συστήματος  GNSS το οποίο όμως έχει περιορισμένη ακρίβεια της τάξης των 3-5 μέτρων. Για την επίτευξη της αυτόνομης σύζευξης δημιουργήθηκαν οι κατάλληλοι αλγόριθμοι που επιτρέπουν την οπτική αναγνώριση του εναέριου οχήματος από το επίγειο μέσω κάμερας, την αυτόνομη προσέγγιση με μεγάλη ακρίβεια  του επίγειου οχήματος στη βάση του εναέριου καθώς και την ασφάλιση και απασφάλιση σε αυτή. Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιήθηκε το περιβάλλον και τα εργαλεία του ROS (Robot Operating System) δίνοντας την δυνατότητα αξιόπιστου συγχρονισμού και επεκτασιμότητας. 

Για την υλοποίηση, αρχικά κατασκευάστηκε πρωτότυπη βάση,  η οποία τοποθετήθηκε στο κάτω μέρος ενός εναέριου οχήματος καθώς επίσης τροποποιήθηκε ενα εξάτροχο επίγειο όχημα για την επίτευξη της σύζευξης. Εν συνεχεία,  υλοποιήθηκε αμφίδρομη επικοινωνία τόσο των ενσωματωμένων συστημάτων όσο και των ελεγκτών πτήσης και κίνησης που βρίσκονται σε κάθε όχημα ξεχωριστά. Η δημιουργία της βάσης καθώς και όλων των απαραίτητων στοιχείων έγινε μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης. Για την επιβεβαίωση της σωστής λειτουργίας και της αξιοπιστίας του συστήματος πραγματοποιήθηκαν δοκιμές τόσο σε εσωτερικές όσο και σε εξωτερικές συνθήκες που έδειξαν την ρεαλιστικότητα της πρότασης.
description: The subject of this thesis focuses on the autonomous coupling, decoupling as well as transfer of an unmanned ground vehicle by an unmanned aerial vehicle. At a time when the use of unmanned vehicles has expanded, the result of this thesis could be incorporated into a large number of autonomous collaborative missions. By extent, unmanned ground vehicles will have the ability to enter inaccessible areas, where under different circumstances, the physical presence of a man would be necessary to carry out the transfer. Some indicative examples could be cases where access to terraces of buildings or hazardous areas is needed.

The initial approach of the two autonomous systems is managed with the help of the GNSS system which, however, bears a limited accuracy of 3 to 5 meters. In order to achieve the autonomous coupling, appropriate algorithms were developed, allowing not only the visual recognition of the aerial by the ground vehicle via cameras but also the autonomous as well as high-precision approach of the ground vehicle to the mounting base, along with its secure locking and release from it. For this purpose ROS (Robot Operating System) environment and tools were used , thus enabling reliable synchronization and expandability.

For the implementation, a prototype mounting base was constructed, which was placed at the bottom of an aerial vehicle, while also a six\--wheeled ground vehicle was modified in order for the coupling to be achieved. Then, a two-way communication was realized between both the embedded systems and the flight and motion controllers on each vehicle. The mounting base as well as all the necessary components were created through 3D printing. In order to validate the system\textsc{\char13}s  proper operation and reliability, tests were conducted both in indoor and in outdoor conditions, which proved the feasibility of the proposal.