Coordinated control of ground and aerial vehicle during takeoff and landing

Abstract

Collaboration between Unmanned aerial vehicles (UAVs) and ground vehicle can bring beneficial properties for a wide range of different tasks in field robotics. Critical for such a collaborative system is the execution of successful takeoff and landing maneuvers of UAVs on moving ground vehicles. Especially in this phase, coordination between the UAV and the ground vehicle is crucial, and accurate relative localization plays a significant role in achieving it. In this work, we therefore present a system that allows a quadrotor UAV to autonomously take off and land on a moving ground vehicle by proposing both a system to improve the accuracy of UAV position estimation using an off-the-shelf camera and a high-level controller design that generates the landing trajectory for the UAV. The UAV's position estimation is improved with the help of fiducial markers attached to the bottom of the UAV, whose relative position to the ground vehicles is estimated after being detected by the camera on the ground vehicle. The UAV's Extended Kalman filter fuses the estimations using a noise model we derived in simulation. The generated landing trajectories are based on Bèzier curves, which are smooth by design and whose curvature can be specified using a set of control points. Based on the current position of the UAV and the predicted future position of the ground vehicle, the landing trajectory is constantly generated with the secondary objective of helping the relative localization system by approaching the ground vehicle in the camera's view. We quantitatively evaluate the localization implementation on real hardware, to show its effectiveness and asses the performance. We furthermore successfully test the high-level landing controller in an experimental setup consisting of a Crazyflie 2.1 quadrotor UAV and a model race car with attached landing platform. With the computer platform used, the controller can only operate at a frequency of 10 Hz, which means that although the system also works for moving landing platforms, it is not always reliable.

Die Zusammenarbeit zwischen unbemannten Luftfahrzeugen (englisch unmanned aerial vehicles, UAVs) und Bodenfahrzeugen kann vorteilhafte Eigenschaften für eine Vielzahl unterschiedlicher Aufgaben in der Robotik mit sich bringen. Entscheidend für ein solches kooperatives System ist die Durchführung erfolgreicher Start- und Landemanöver von UAVs auf sich bewegenden Bodenfahrzeugen. Besonders in dieser Phase ist die Koordination zwischen UAV und Bodenfahrzeug entscheidend, und eine genaue relative Lokalisierung spielt dabei eine wichtige Rolle. In dieser Arbeit stellen wir ein System vor, das es einem Quadrotor-UAV ermöglicht, autonom zu starten und auf einem sich bewegenden Bodenfahrzeug zu landen, indem wir sowohl ein System zur Verbesserung der Genauigkeit der UAV-Positionsschätzung unter Verwendung einer handelsüblichen Kamera als auch ein High-Level-Controller-Design vorschlagen, das die Landetrajektorie für das UAV generiert. Die UAV-Positionsschätzung wird mit Hilfe von Bezugsmarken verbessert, die an der Unterseite des UAV angebracht sind und deren relative Position zu den Bodenfahrzeugen bestimmt wird, nachdem sie von der Kamera des Bodenfahrzeugs erfasst wurden. Der erweiterte Kalman-Filter des UAV fusioniert die Schätzungen mit Hilfe eines Rauschmodells, das wir in einer Simulationsumgebung abgeleitet haben. Die generierten Landetrajektorien basieren auf Bèzier-Kurven, die standardmäßig kontinuierlich sind und deren Krümmung durch eine Reihe von Kontrollpunkten festgelegt werden kann. Basierend auf der aktuellen Position der UAV und der vorhergesagten zukünftigen Position des Bodenfahrzeugs wird die Landetrajektorie kontinuierlich generiert, mit dem sekundären Ziel, das relative Lokalisierungssystem durch eine Annäherung an das Bodenfahrzeug im Blickfeld der Kamera zu unterstützen. Wir evaluieren die Lokalisierungsimplementierung quantitativ auf realer Hardware, um ihre Effektivität zu zeigen und die Leistung zu bewerten. Darüber hinaus testen wir den High-Level-Controller erfolgreich in einem Versuchsaufbau bestehend aus einer Crazyflie 2.1 Quadrotor-Drohne und einem Modell-Rennwagen mit befestigter Landeplattform. Wir sind in der Lage, zuverlässig auf dem stillstehenden Bodenfahrzeug zu landen. Mit der verwendeten Computerplattform kann der Controller nur mit einer Frequenz von 10 Hz arbeiten, wodurch das System zwar auch für sich bewegenden Landeplatformen funktioniert, dabei jedoch nicht immer zuverlässig ist.