Autonomous landing of an UAV on a moving ground vehicle

The recent progress in drone technology has fostered interest towards Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). However, the relatively short battery life limits their adoption for some activities. Hence, deploying and recovering UAVs from ground vehicles (GVs) could extend vehicle’s authonomy and open up more efficient and innovative applications. Drones could be carried by trucks, take-off when close to the location of reconnaissance or delivery, and autonomously land on the carrier, with the possibility of being recharged between operations sites. Landing on a small available area represents the most critical phase, thus requiring a precise and reliably system for the localization of the landing pad. Current standard outdoor UAV's navigation systems, based on Inertial Measurement Unit (IMU) and Ground Navigation Satellite Systems (GNSS), may not result to be as accurate as desired, thus opening the possibility of a vision-based system for locating the landing site. The purpose of this thesis is to investigate the problem of the autonomous landing of an UAV on top of a moving ground vehicle, using commercially available and relatively low-cost sensors. The study is focused on providing a guidance law to perform the mission, as well as a navigation system which uses visual information to support the estimation of position and velocity. Finally, the system is tested and validated through computer simulation using MATLAB and Simulink.

Recenti sviluppi tecnologici e una lunga lista di potenziali applicazioni, che includono la consegna tramite droni, sorveglianza, ricerca e soccorso, hanno portato ad un crescente interesse per gli aeromobili a pilotaggio remoto (UAV). Tuttavia, la limitata autonomia della batteria rappresenta una grande sfida per la possibilità di operazioni di lunghe distanze. Per questo motivo, il rilascio e recupero da parte di veicoli di terra potrebbe permettere l'estensione della durata della missione degli UAV e un loro impiego più efficiente. Il drone potrebbe essere trasportato da un furgone, decollare quando vicino alla posizione di ricognizione o consegna, dopodiché atterrare autonomamente sul veicolo che li ha portati e possibilmente essere ricaricato durante il trasporto tra le varie zone di operazione. La fase più critica della missione è rappresentata dall'atterraggio sulla limitata area del furgone, necessitando un sistema sufficientemente preciso e affidabile per localizzare la zona di atterraggio. Attuali sistemi di navigazione, basati su piattaforme inerziali (IMU) o sistemi di navigazione satellitare (GNSS), potrebbero non risultare abbastanza accurati questo compito, aprendo perciò la possibilità dell'utilizzo di un sistema di visione per localizzare il sito di atterraggio. Lo scopo di questa tesi è investigare il problema dell'atterraggio autonomo di un UAV sopra di un veicolo di terra in movimento, utilizzando sensori già disponibili nel mercato e di basso costo. Lo studio è focalizzato nel presentare un sistema di guida che possa svolgere la missione e un sistema di navigazione che utilizza informazioni visive per stimare posizione e velocità. Infine, il sistema è testato e validato attraverso una simulazione al computer, utilizzando MATLAB e Simulink.