The Unmanned Aerial Vehicle (UAV) has over the last years become an increasingly prevalent technology in several sectors of modern society. Many UAVs are today used in a wide series of applications, from disaster relief to surveillance. A recent initiative by the Swedish Sea Rescue Society (SSRS) aims to implement UAVs in their emergency response. By quickly deploying drones to an area of interest, an assessment can be made, prior to personnel getting there, thus saving time and increasing the likelihood of a successful rescue operation. An aircraft like this, that will travel great distances, have to rely on a navigation system that does not require an operator to continuously see the vehicle. To travel to its goal, or search an area, the operator should be able to define a travel route that the UAV follows, by feeding it a series of waypoints. As an initial step towards that kind of system, this thesis has developed and tested the concept of waypoint navigation on a small and slow airship/blimp, in a simulated indoor environment. Mainly, two commonly used navigation algorithms were tested and compared. One is inspired by a sub-category of machine learning: reinforcement learning (RL), and the other one is based on the rapidly exploring random tree (RRT) algorithm. Four experiments were conducted to compare the two methods in terms of travel distance, average speed, energy efficiency, as well as robustness towards changes in the waypoint configurations. Results show that when the blimp was controlled by the best performing RL-based version, it generally travelled a more optimal (distance-wise) path than the RRT-based method. It also, in most cases, proved to be more robust against changes in the test tracks, and performed more consistently over different waypoint configurations. However, the RRT approach usually resulted in a higher average speed and energy efficiency. Also, the RL algorithm had some trouble navigating tracks where a physical obstacle was present. To sum up, the choice of algorithm depends on which parameters are prioritized by the blimp operator for a certain track. If a high velocity and energy efficiency is desirable, the RRT-based method is recommended. However, if it is important that the blimp travels as short a distance as possible between waypoints, and a higher degree of consistency in its performance is wanted, then the RL-method should be used. Moving forward from this report, toward the future implementation of both methods in rescue operations, it would be reasonable to analyze their performance under more realistic conditions. This can be done using a real indoor airship. Looking at how hardware that do not exceed the payload of the blimp can execute both methods and how the blimp will determine its position and orientation is recommended. It would also be interesting to see how different reward function affect the performance of the blimp. / Den obemannade luftfarkosten (UAV) har under de senaste åren blivit en teknik vars användning blivit allt vanligare i flera sektorer av det moderna samhället. Olika sorters UAV robotar associeras idag med en omfattande serie användningsområden, från katastrofhjälp till övervakning. Ett nyligen påbörjat initiativ från svenska sjöräddningssällskapet (SSRS) syftar till att implementera drönare i deras utryckningar. Genom att snabbt sända drönare till platsen i fråga, kan en bedömning göras innan personal kommer dit, vilket sparar tid och ökar sannolikheten för en framgångsrik räddningsaktion. En farkost som denna, som kommer att resa långa sträckor, måste förlita sig på ett navigationssystem som inte kräver att en operatör kontinuerligt ser farkosten. För att resa till sitt mål, eller söka av ett område, bör operatören kunna definiera en resväg som drönaren följer genom att ge den en serie vägpunkter. Som ett inledande steg mot den typen av system har denna uppsats utvecklat och testat begreppet vägpunktsnavigering på ett litet och långsamt luftskepp/blimp, i en simulerad inomhusmiljö. Huvudsakligen testades och jämfördes två vanligt förekommande navigationsalgoritmer. En inspirerad av en underkategori till maskininlärning: förstärkningsinlärning (RL), och den andra baserad på rapidly exploring random tree (RRT) algoritmen. Fyra experiment utfördes för jämföra båda metoderna med avseende på färdsträcka, medelhastighet, energieffektivitet samt robusthet gentemot ändringar i färdpunktskonfigurationerna. Resultaten visar att när blimpen kontrollerades av den bästa RL-baserade versionen åkte den generellt en mer avståndsmässigt optimal väg än när den RRT-baserade metoden användes. I de flesta fallen visade sig även RL-metoden vara mer robust mot förändringar i testbanorna, och presterade mer konsekvent över olika vägpunktskonfigurationer. RRT-metoden resulterade dock vanligtvis i en högre medelhastighet och energieffektivitet. RL-algoritmen hade också problem med att navigera banor där den behövde ta sig runt ett hinder. Sammanfattningsvis beror valet av algoritm på vilka parametrar som prioriteras av blimpoperatören för en viss bana. Om en hög hastighet och energieffektivitet är önskvärd rekommenderas den RRT-baserade metoden. Men om det är viktigt att blimpen reser så kort avstånd som möjligt mellan färdpunkterna, och har en jämnare prestanda, bör RL-metoden användas. För att ta nästa steg, mot en framtida implementering av båda metoder i räddningsoperationer, vore det rimligt att analysera deras prestanda under mer realistiska förhållanden. Detta skulle kunna göras inomhus med ett riktigt luftskepp. Författarna rekommenderar att undersöka om hårdvara som inte överstiger blimpens maxlast kan utföra båda metodernas beräkningar och hur blimpen bestämmer sin position och orientering. Det skulle också vara intressant att se hur olika belöningsfunktioner påverkar blimpens prestanda.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-284458 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Prusakiewicz, Lukas, Tönnes, Simon |
| Publisher | KTH, Mekatronik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2020:557 |
Page generated in 0.0076 seconds