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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.55.2016.tde-05102016-165607
Documento
Autor
Nome completo
Jesimar da Silva Arantes
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2016
Orientador
Banca examinadora
Toledo, Cláudio Fabiano Motta (Presidente)
Correia, Luiz Henrique Andrade
Forster, Carlos Henrique Quartucci
Wolf, Denis Fernando
Título em português
Planejamento de rota para VANTs em caso de situação crítica: Uma abordagem baseada em segurança
Palavras-chave em português
Computação evolutiva
Otimização
Planejamento de rota
Pouso emergencial
Veículo aéreo não tripulado
Resumo em português
A segurança nos voos de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) é uma importante questão e vem ganhando destaque devido a uma série de acidentes com tais aeronaves. O aumento do número de aeronaves no espaço aéreo e a autonomia cada vez maior para realizar missões estão entre outros elementos que merecem destaques. No entanto, pouca atenção tem sido dada a autonomia da aeronave em casos emergenciais [Contexto]. Nesse contexto, o desenvolvimento de algoritmos que efetuem o planejamento de rotas na ocorrência de situações críticas é fundamental para obter maior segurança aérea. Eventuais situações de insegurança podem estar relacionadas a uma falha nos equipamentos do veículo aéreo que impede a continuação da missão em curso pela aeronave [Lacuna]. A presente pesquisa avança o estado da arte considerando um conceito chamado In-Flight Awareness (IFA), que estabelece consciência situacional em VANTs, visando maior segurança de voo. Os estudos também avançam na proposição de modelos matemáticos que representem o estado da aeronave avariada, viabilizando o pouso emergencial e minimizando possíveis danos [Propósito]. Este trabalho utiliza técnicas de computação evolutiva como Algoritmos Genéticos (AG) e Algoritmos Genéticos Multi-Populacional (AGMP), além de uma Heurística Gulosa (HG) e um modelo de Programação Linear Inteira Mista (PLIM) no tratamento de falhas críticas juntamente com o conceito de IFA [Metodologia]. As soluções obtidas foram avaliadas através de experimentos offline usando os modelos matemáticos desenvolvidos, além de validadas em um simulador de voo e em um voo real. De forma geral, o AG e AGMP obtiveram resultados equivalentes, salvando o VANT em aproximadamente 89% dos mapas. A HG conseguiu trazer a aeronave até uma região bonificadora em 77% dos mapas dentro de um tempo computacional abaixo de 1 segundo. No modelo PLIM, o tempo gasto foi de cerca de quatro minutos já que garantia a otimalidade da solução encontrada. Devido ao seu elevado tempo computacional, uma estratégia evolvendo rotas pré-calculadas foi definida a partir do PLIM, mostrando-se bastante promissora. Nos experimentos envolvendo simulador de voo foram testadas diferentes condições de vento e se verificou que mesmo sobre tais condições os métodos desenvolvidos conseguiram efetuar o pouso com segurança [Resultado]. O trabalho apresentado colabora com a segurança de Veículos Aéreos Não Tripulados e com a proposta de modelos matemáticos que representem a aeronave em caso de situações críticas. Os métodos, de forma geral, mostraram-se promissores na resolução do problema de pouso emergencial já que trouxeram a aeronave com segurança até regiões interessantes ao pouso em um baixo tempo computacional. Isso foi atestado pelos resultados obtidos a partir das simulações offline, em simulador de voo e em voo real [Conclusão]. As principais contribuições do trabalho são: modelagem de regiões adequadas ao pouso, modelagem de falhas, arquitetura do sistema planejador de rotas e modelo linear para para pouso emergencial [Contribuição].
Título em inglês
Route planning for UAVs with risk of critical failure: a security-based approach
Palavras-chave em inglês
Emergency landing
Evolutionary computation
Optimization
Route planning
Unmanned aerial vehicle
Resumo em inglês
The security involved in flights of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) is an important issue and is achieving prominence due to a number of accidents involving such aircraft. Other elements that deserve highlights are the increase in the number of aircraft in the airspace and autonomy to perform missions, however, little attention has been given to the autonomy of the aircraft in emergency cases [Context]. In this context, the development of algorithms that contribute significantly to the path planning in the event of critical situations is essential for more air traffic. Possible situations of insecurity may be related to a failure in the equipment of vehicle that prevents the continuation of the current mission by aircraft [Gap]. The research advances the state of the art considering a concept called In-Flight Awareness (IFA), which provides situational awareness in UAVs aiming at greater flight safety. Advances also in the developing of mathematical models that represent the state of the damaged aircraft, with the purpose to execute the emergency landing by minimizing damages [Purpose]. Thus, this work applies evolutionary computation techniques such as Genetic Algorithms (GA) and Multi-Population Genetic Algorithms (MPGA), as well as a Greedy Heuristic (GH) and a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model to deal with critical situations along with the concept of IFA [Methodology]. The solutions obtained were evaluated through offline experiments using the developed mathematical models, which were validated in a flight simulator and a real-world flight. In General, the GA and MPGA reached similar results by saving the UAV in approximately 89% of the maps, while the GH was able to bring the aircraft to a bonus region for 77% of maps within a feasible computational time lower than 1 second. In the MILP model, the time spent was about four minutes since it guarantees optimality of the solution found. Due to such high computational time, a strategy involving nearby routes pre-calculated was defined from the MILP which was very promising. In experiments involving flight simulator, different wind conditions were tested and it was found that even under such conditions the methods developed have managed to execute the landing safely [Result]. The work presented collaborates with the safety of Unmanned Aerial Vehicles and with the proposal of mathematical models that represent the aircraft under critical situations. The methods, in general, were promising since they brought the aircraft to execute a safe landing within a low computational time as shown by offline simulations, flight simulator and real flight [Conclusion]. The main contributions are: fault modeling, system architecture planner routes and linear model for emergency landing. [Contribution].
 
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Data de Publicação
2016-10-05
 
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