Quad-rotor micro-UAVs have become an important tool in the field of indoor UAV research. Indoor flight poses problems not experienced in outdoor applications. The ability to be location- and movement-aware is paramount because of the close proximity of obstacles (walls, doorways, desks). The Helio-copter, an indoor quad-rotor platform that utilizes a compact FPGA board called Helios has been developed in the Robotic Vision Lab at Brigham Young University. Helios allows researchers to perform on-board vision processing and feature tracking without the aid of a ground station or wireless transmission. Using this on-board feature tracking system a drift stabilization control system has been developed that allows indoor flight of the Helio-copter without tethers. The Helio-copter uses an IMU to maintain level attitude while processing camera images on the FPGA. The FPGA then computes translation, scale, and rotation deviations from camera image feedback. An on-board system has been developed to control yaw, altitude and drift based solely on the vision sensors. Preliminary testing shows the Helio-copter capable of maintaining level, stable flight within a 6 foot by 6 foot area for over 40 seconds without human intervention using basic PID loop structures with minor tuning. The integration of the vision system into the control structures is explained.

L'extraction des paramètres de surface est une activité essentielle des Sciences de la vie et de la Terre. Ce mémoire propose une nouvelle méthodologie pour l'analyse des paramètres biophysiques et géophysiques, appelée Réalité Terrain Étendue, et qui mêle les avantages des relevés terrain et de la télédétection. Nous nous sommes en particulier attachés aux avantages de la télédétection basse altitude et d'un système micro-drone multi-caméras pour la cartographie de la dynamique de la végétation à l'échelle des individus. Cette problématique pose de nombreuses contraintes sur notre système car l'identification des arbrisseaux nécessite des capteurs innovants et une adaptation aux cycles phénologiques pour améliorer leur capacité de discrimination. La télédétection basse altitude semble être une solution intéressante en terme de résolution spatiale et de souplesse opérationnelle, et le développement des micro-drones civils permet des outils d'autant plus performants et fiables pour les missions terrain. Nous avons donc mis en place un système complet de drone avec une charge utile spécifique emportant simultanément trois appareils photographiques pour l'acquisition à la demande d'images obliques, stéréoscopiques ou multispectrales et permettant le développement de nouvelles méthodes d'identification de la végétation. Enfin, en participant à un relevé terrain du Muséum national d'Histoire naturelle, nous avons validé l'intérêt de notre système pour la cartographie de la dynamique de la végétation. Ce travail s'ouvre sur de nombreuses applications et perspectives de recherche, comme l'extraction de paramètres biophysiques par stéréo-restitution et l'agriculture de précision / Retrieval of land surface parameters is an essential part of life and Earth sciences activities, as they are the key to understand the complex phenomena that take place in the biosphere. This thesis proposes a new methodology for biophysical and geophysical surface para-meters analysis, that we call Extended Ground Truth, and that mix the advantages of the field ope-rations and those of remote sensing. We have especially focused our work on the benefits of low altitude remote sensing with a multi-cameras Unmanned Aerial System for vegetation dynamics mapping at subject scale. This problematic raises strong constraints on the system, as the identification of small bushes implies new type of sensors and the adaptation to the phenological cycles to improve the discrimination capacity of the sensors. Low altitude remote sensing seems a good solution in terms of resolution and operational flexibility and the technical revolution behind the spreading of civilian micro-UAV allows all the more capable and reliable tools for field operations. We therefore developed an Unmanned Aerial System with a specific payload that can lift up three digital cameras at once, allowing on demand oblique, stereoscopic or multispectral synchronous acquisitions and thus the development of new identification methods of the vegetation. Finally, we have participated in a field operation on a test site of the National Natural History Museum and confirmed the interest of our tool for vegetation dynamics mapping. This work leads to many other researches, per example in the field of biophysical parameters extraction from stereoscopic images, and other application fields like precision farming

A lightweight, powerful, yet efficient quad-rotor platform was designed and constructed to obtain experimental results of completely autonomous control of a hovering micro-UAV using a complete on-board vision system. The on-board vision and control system is composed of a Helios FPGA board, an Autonomous Vehicle Toolkit daughterboard, and a Kestrel Autopilot. The resulting platform is referred to as the Helio-copter. An efficient algorithm to detect, correlate, and track features in a scene and estimate attitude information was implemented with a combination of hardware and software on the FPGA, and real-time performance was obtained. The algorithms implemented include a Harris feature detector, template matching feature correlator, RANSAC similarity-constrained homography, color segmentation, radial distortion correction, and an extended Kalman filter with a standard-deviation outlier rejection technique (SORT). This implementation was designed specifically for use as an on-board vision solution in determining movement of small unmanned air vehicles that have size, weight, and power limitations. Experimental results show the Helio-copter capable of maintaining level, stable flight within a 6 foot by 6 foot area for over 40 seconds without human intervention.

Approved for public release; distribution is unlimited / An increasing number of unmanned vehicles (UV) are being incorporated into maritime operations as organic elements of Expeditionary and Carrier Strike Groups for development of the recognized maritime picture. This thesis develops an analytically-based planning aid for allocating UVs to missions. Inputs include the inventory of UVs, sensors, their performance parameters, and operational scenarios. Operations are broken into mission critical functions: detection, identification, and collection. The model output assigns aggregated packages of UVs and sensors to one of the three functions within named areas of interest. A spreadsheet model uses conservative time-speed-distance calculations, and simplified mathematical models from search theory and queuing theory, to calculate measures of performance for possible assignments of UVs to missions. The spreadsheet model generates a matrix as input to a linear integer program assignment model which finds the best assignment of UVs to missions based on the user inputs and simplified models. The results provide the mission planner with quantitatively-based recommendations for unmanned vehicle mission tasking in challenging scenarios. / Lieutenant, United States Navy

Cette thèse a pour but de découvrir la faisabilité et le potentiel de la récupération d'énergie à partir de rafales atmosphériques pour les micro et mini véhicules aériens sans pilote. L'atmosphère sert de grande source d'énergie pouvant être récoltée afin d'accroître la performance des petits UAV sous la forme d'une autonomie et d'une autonomie étendues. Il est bien connu que de nombreuses espèces d'oiseaux utilisent diverses techniques de vol pour obtenir des performances de vol étonnantes. Compte tenu du fait que les véhicules susmentionnés partagent la taille et la vitesse de vol avec des dépliants naturels, cette thèse peut être considérée comme une application des techniques de vol bio-inspirées pour les véhicules construits par l’homme. Cette étude de trois ans visait à établir une dérivation théorique des équations qui décrivent la dynamique de vol d'un aéronef en présence d'un environnement en rafales. La première réalisation a été la démonstration du mécanisme de récupération d'énergie et des paramètres d'influence à travers des simulations décrivant le vol en modèle de masse ponctuelle d'aéronef avec un contrôle optimisé de l'ascenseur en présence d'un profil de vent sinusoïdal et stochastique. La réalisation suivante est liée à un système sensoriel inspiré par la biologie qui utilise des mesures de pression des ailes pour estimer l’angle d’attaque local. Ce système particulier a été utilisé dans l’estimation du champ de vent, en tant que mécanisme décisif et protection contre le décrochage. Enfin, les dernières contributions sont liées à l’expérience et aux résultats obtenus lors d’essais en vol visant à prouver l’augmentation de l’état énergétique de l’avion lors des manœuvres de récupération d’énergie. La première campagne d'essais en vol a été réalisée avec un mini-UAV disponible dans le commerce équipé de sondes à trous multiples et d'un contrôleur conçu sur mesure. Cette campagne a démontré l’augmentation de l’état d’énergie dans un fort gradient de vent horizontal. La deuxième campagne d'essais en vol a été réalisée avec une aile volante équipée d'un système de détection de pression pour l'estimation du champ de vent. Cette campagne a également impliqué des économies supplémentaires sur la consommation d'énergie électrique lors des vols de récupération d'énergie. / This thesis aims at discovering the feasibility and potential of energy-harvesting from atmospheric gusts for micro and mini unmanned aerial vehicles. The atmosphere serves as a great source of energy that can be harvested in order to increase performance of small UAVs in form of extended endurance and range. It is well known that many bird species use various flight techniques for achieving astonishing flight performances. Considering the fact that aforementioned vehicles share size and flight speed with natural flyers, this thesis can be considered as an application of bioinspired flight techniques for man made vehicles. This three-year study set out to establish a theoretical derivation of equations that describe flight dynamics of an aircraft in presence of gusty environment. The first achievement was demonstration of energy harvesting mechanism and influencing parameters through simulations that describe aircraft point mass model flight with optimized control of elevator in presence of sinusoidal and stochastic wind profile. The next achievement is related to a biologically inspired sensory system that uses wing pressure measurements for local angle of attack estimation. That particular system found purpose in wind field estimation, as decisive mechanism and stall protection. Finally, last contributions are related to experience and results gained from flight tests which aimed to prove increase in energy state of the aircraft while performing energy harvesting maneuvers. The first flight test campaign was performed with commercially available mini UAV equipped with multi-hole probes and custom designed controller. This campaign demonstrated the raise in energy state within strong horizontal wind gradient. The second flight test campaign was done with a flying wing equipped with pressure sensing system for wind field estimation. This campaign also involved additional insight savings in electrical power consumption during energy harvesting flights.

Cette thèse aborde le problème de la calibration d’un ensemble de capteurscomposé d’une centrale inertielle, d’un magnétomètre et d’une caméra, avecpour objectif leur intégration sur un système très compact : un mini-drone.Cette étude expose tout d’abord les contraintes imposées par l’application surle choix des capteurs et les solutions envisagées notamment pour résoudre leproblème de la synchronisation des mesures. Après avoir étudié les techniquesde calibration existantes, une méthode permettant la calibration de l’ensembledes capteurs (accéléromètre, gyromètre, magnétomètre et caméra) est présentée.La solution proposée permet également d’estimer les changements de repèresentre les différents capteurs. Elle a la particularité de ne nécessiter l’emploid’aucun matériel particulier. D’autre part, l’intégration de ces capteurs dans unsystème aussi compact soulève de nouvelles difficultés. Dans ces conditions, leschamps magnétiques créés par les actionneurs du drone perturbent les mesuresdu magnétomètre se trouvant à proximité. Une nouvelle méthode est proposéeafin d’estimer et de compenser dynamiquement ces perturbations magnétiquesen fonction de l’état des actionneurs du drone. Enfin, deux applications dusystème comprenant une centrale inertielle et une caméra sont présentées :la construction de mosaïques d’images géo-référencées et la stabilisation devidéos. Ces deux applications exploitent les mesures des capteurs inertiels afind’effectuer un traitement en temps réel pour un coût calculatoire très faible. / This thesis deal with the issue of the calibration of a group of sensor composedof an inertial unit, a magnetometer and a camera. It aims at integratingthem into a very compact system : a mini-drone. First of all, this study outlinesthe constraints imposed by the application on the choice of the sensors andthe solutions considered to solve the measures synchronization issue. Afterstudying existing calibration techniques, a method for the calibration of allthe sensors (accelerometer, gyroscope, magnetometer and camera) is presented.The proposed solution allows to estimate the frame transformation between thedifferent sensors. It has the advantage of not requiring the use of any specialequipment. Furthermore, the integration of these sensors into a compact systemraises new difficulties. Under these conditions, the magnetic fields created bythe drone actuators disrupt magnetometer measurements. A new method isproposed to estimate and compensate for these magnetic disturbances. Thecompensation is dynamically adapted based on the state of the drone actuators.Finally, two applications of the system including an inertial unit and a cameraare presented : the construction of geo-referenced images mosaic and videostabilization. Both applications use measurements of inertial sensors and precisecalibration to perform a real-time processing for a very low computational cost.