Commande référencée capteurs d'une flottille de robots volants – SenseFly

The goal of the SenseFly project is to advance the state-of-the-art in sensor-based cooperative estimation and control of multi-robot systems with a particular focus on the quadrotor UAV platform, which is a widespread mobile robotic platform with low cost, high agility and pervasiveness in 3D space. Multi-robot systems (and, in particular multi-UAV systems) are of high interest for many tasks spanning autonomous search and rescue, firefighting, exploration and navigation in dangerous/remote areas. The main idea is that proper coordination of many simple robots can lead to the fulfillment of arbitrarily complex tasks in a robust and flexible way. However, to date, most implementations of multi-robot systems heavily rely on centralized facilities/aids, such as GPS (in outdoor conditions), mapping/SLAM in GPS-denied environments, or the extensive use of motion tracking systems (e.g., Vicon) for validation in lab conditions. In this respect, the goal of SenseFly is to enable a team of multiple quadrotor UAVs able to accomplish a mission by only resorting to its “own skills”, that is, local sensing (mainly IMU and vision) and local communication with neighboring robots. The main challenges to be addressed in the project are the use of onboard (local) sensing and communication for allowing a cooperative localizaiton and safe navigation of a group of quadrotor UAVs without external aids

We have implemented and tested several cooperative strategies for multiple quadrotor UAVs able to self-localize and navigate from onboard bearing measurements (what can be retrieved from onboard cameras). These theoretical advancements have also been validated in real experiments with five quadrotor UAVs

We are now addressing the issue of segmenting (in robust way) the other UAVs during flight, with the associated identity (needed by the control/estimation algorithms). We are also considering the issue of detecting obstacles in the scene

1. D. Zelazo, P. Robuffo Giordano, A. Franchi. Bearing-Only Formation Control Using an SE(2) Rigidity Theory. In IEEE Conf. on Decision and Control, CDC 2015, Osaka, Japan, December 2015
2. F. Schiano, A. Franchi, D. Zelazo, P. Robuffo Giordano. A Rigidity-Based Decentralized Bearing Formation Controller for Groups of Quadrotor UAVs. In IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, IROS'16, Pages 5099-5106, Daejeon, Korea, October 2016
3. R. Spica, P. Robuffo Giordano. Active Decentralized Scale Estimation for Bearing-Based Localization. In IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, IROS'16, Pages 5084-5091, Daejeon, Korea, October 2016
4. F. Schiano, P. Robuffo Giordano. Bearing Rigidity Maintenance for Formations of Quadrotor UAVs. In IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, ICRA'17, Singapore, May 2017

La dernière décennie a connu un intérêt croissant pour les flottilles de robots, basé sur l'idée qu'une bonne coordination de plusieurs robots simples peut conduire à l'exécution de tâches complexes de manière robuste (aux défaillances d'éléments de la flottille) et flexible. Les opérations de sauvetage, la lutte contre les incendies, l'exploration dans des zones dangereuses ou inaccessibles sont quelques-unes des applications les plus prometteuses.

Une exigence fondamentale pour l'élaboration de stratégies de commande est de s'appuyer uniquement sur des mesures relatives par rapport aux autres robots ou à l'environnement, comme par exemple des distances, angles, ou positions relatifs. En fait, celles-ci peuvent être obtenues à partir de capteurs embarqués, ce qui permet d'éviter un module de localisation globale tels que le GPS ou les algorithmes de type SLAM, ou toute autre forme de système de localisation centralisée. De même, pour les moyens de communication entre robots, les solutions décentralisées nécessitant seulement des échanges d'informations locales entre voisins sont toujours préférables en raison de leur plus grande tolérance aux pannes et de leur moindre charge en calcul et en communication.
Cependant, en pratique, les implémentations réelles d'applications multi-robots sont rarement décentralisées ou basées sur des capteurs embarqués: généralement, même si la conception est faite de manière décentralisée et ne nécessite que des informations relatives, les réalisations pratiques reposent encore fortement sur des installations centralisées et des mesures absolues. C'est par exemple le cas pour toutes les implémentations exploitant le GPS ou un système de suivi visuel externe, de type Vicon, qui, par le suivi de tous les robots, permet de simuler ensuite la présence de capteurs embarqués. Évidemment, ces solutions sont appropriées en raison de leur facilité de développement, pour la validation et les tests, ainsi que pour des applications particulières conçues pour des environnements bien définis (tels que, par exemple, les sols d'usine en intérieur, ou les environnements extérieurs couverts par le GPS). Cependant, elles manquent évidemment de flexibilité pour pouvoir être déployées dans des environnements non structurés tels des bâtiments effondrés, des espaces très fréquentés, ou encore les milieux sous-marins ou souterrains.

Le but de ce projet est donc de faire progresser l'état de l'art afin de surmonter les problèmes mentionnés ci-dessus. La plateforme robotique considérée sera constituée d'une flottille de quadrirotors. Le projet portera sur la conception et la mise en œuvre de stratégies de groupe référencées-capteurs entièrement décentralisées ne reposant que sur des capteurs embarqués (principalement caméras et centrale inertielle) et une communication locale (par exemple wifi). Les recherches traiteront de la commande en formation robuste aux limites des capteurs (champ de vision limité, occultations), de l'estimation distribuée des positions et orientations relatives à partir de mesures locales, et du respect de propriétés topologiques (connectivité, rigidité) d'une flottille de robots.

Comme démonstrateur final, le projet exploitera le groupe de quadrirotors comme un système de localisation polyvalent et mobile en mesure de fournir ses services à d'autres robots visibles d'une partie de la flottille (par exemple, un robot mobile au sol). Les quadrirotors ne seront pas tenus de maintenir une formation spécifique donnée, mais pourront se mouvoir librement dans l'espace en fonction de critères internes, tels, par exemple, l'amélioration de la précision de la localisation du robot terrestre, ou pour remédier aux limites de leurs capteurs (visibilité, occultations). Cela permettra de réaliser un système de localisation volant, mobile et autonome, prêt à être déployé en environnement intérieur (et extérieur), et ne nécessitant pas d'installations complexes externes (de type Vicon ou GPS).