The design and implementation of vision-based autonomous rotorcraft landing
Date
2011-03
Authors
De Jager, Andries Matthys
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : University of Stellenbosch
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This thesis presents the design and implementation of all the subsystems required to
perform precision autonomous helicopter landings within a low-cost framework.
To obtain high-accuracy state estimates during the landing phase a vision-based approach,
with a downwards facing camera on the helicopter and a known landing target, was used.
An e cient monocular-view pose estimation algorithm was developed to determine the
helicopter's relative position and attitude during the landing phase. This algorithm was
analysed and compared to existing algorithms in terms of sensitivity, robustness and
runtime.
An augmented kinematic state estimator was developed to combine measurements from
low-cost GPS and inertial measurement units with the high accuracy measurements from
the camera system. High-level guidance algorithms, capable of performing waypoint navigation
and autonomous landings, were developed.
A visual position and attitude measurement (VPAM) node was designed and built to perform
the pose estimation and execute the associated algorithms. To increase the node's
throughput, a compression scheme is used between the image sensor and the processor
to reduce the amount of data that needs to be processed. This reduces processing requirements
and allows the entire system to remain on-board with no reliance on radio
links. The functionality of the VPAM node was con rmed through a number of practical
tests. The node is able to provide measurements of su cient accuracy for the subsequent
systems in the autonomous landing system.
The functionality of the full system was con rmed in a software environment, as well as
through testing using a visually augmented hardware-in-the-loop environment.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis beskryf die ontwikkeling van die substelsels wat vir akkurate outonome helikopter landings benodig word. 'n Onderliggende doel was om al die ontwikkeling binne 'n lae-koste raamwerk te voltooi. Hoe-akkuraatheid toestande word benodig om akkurate landings te verseker. Hierdie metings is verkry deur middel van 'n optiese stelsel, bestaande uit 'n kamera gemonteer op die helikopter en 'n bekende landingsteiken, te ontwikkel. 'n Doeltreffende mono-visie posisie-en-orientasie algoritme is ontwikkel om die helikopter se posisie en orientasie, relatief tot die landingsteiken, te bepaal. Hierdie algoritme is deeglik ondersoek en vergelyk met bestaande algoritmes in terme van sensitiwiteit, robuustheid en uitvoertyd. 'n Optimale kinematiese toestandswaarnemer, wat metings van GPS en inersiele sensore kombineer met die metings van die optiese stelsel, is ontwikkel en deur simulasie bevestig. Hoe-vlak leidingsalgoritmes is ontwikkel wat die helikopter in staat stel om punt-tot-punt navigasie en die landingsprosedure uit te voer. 'n Visuele posisie-en-orientasie meetnodus is ontwikkel om die mono-visie posisie-en orientasie algoritmes uit te voer. Om die deurset te verhoog is 'n saampersingsalgoritme gebruik wat die hoeveelheid data wat verwerk moet word, te verminder. Dit het die benodigde verwerkingskrag verminder, wat verseker het dat alle verwerking op aanboord stelsels kan geskied. Die meetnodus en mono-visie algoritmes is deur middel van praktiese toetse bevestig en is in staat om metings van voldoende akkuraatheid aan die outonome landingstelsel te verskaf. Die werking van die volledige stelsel is, deur simulasies in 'n sagteware en hardeware-indie- lus omgewing, bevestig.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis beskryf die ontwikkeling van die substelsels wat vir akkurate outonome helikopter landings benodig word. 'n Onderliggende doel was om al die ontwikkeling binne 'n lae-koste raamwerk te voltooi. Hoe-akkuraatheid toestande word benodig om akkurate landings te verseker. Hierdie metings is verkry deur middel van 'n optiese stelsel, bestaande uit 'n kamera gemonteer op die helikopter en 'n bekende landingsteiken, te ontwikkel. 'n Doeltreffende mono-visie posisie-en-orientasie algoritme is ontwikkel om die helikopter se posisie en orientasie, relatief tot die landingsteiken, te bepaal. Hierdie algoritme is deeglik ondersoek en vergelyk met bestaande algoritmes in terme van sensitiwiteit, robuustheid en uitvoertyd. 'n Optimale kinematiese toestandswaarnemer, wat metings van GPS en inersiele sensore kombineer met die metings van die optiese stelsel, is ontwikkel en deur simulasie bevestig. Hoe-vlak leidingsalgoritmes is ontwikkel wat die helikopter in staat stel om punt-tot-punt navigasie en die landingsprosedure uit te voer. 'n Visuele posisie-en-orientasie meetnodus is ontwikkel om die mono-visie posisie-en orientasie algoritmes uit te voer. Om die deurset te verhoog is 'n saampersingsalgoritme gebruik wat die hoeveelheid data wat verwerk moet word, te verminder. Dit het die benodigde verwerkingskrag verminder, wat verseker het dat alle verwerking op aanboord stelsels kan geskied. Die meetnodus en mono-visie algoritmes is deur middel van praktiese toetse bevestig en is in staat om metings van voldoende akkuraatheid aan die outonome landingstelsel te verskaf. Die werking van die volledige stelsel is, deur simulasies in 'n sagteware en hardeware-indie- lus omgewing, bevestig.
Description
Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011.
Keywords
Autonomous helicopter landing, Pose estimation, Vision based position -- Measurement, Dissertations -- Electronic engineering, Theses -- Electronic engineering, Helicopters -- Landing -- Control, Drone aircraft -- Control, Helicopters -- Altitude -- Measurement