Path planning for multicopter networks and applications to the condition monitoring of the built environment

Unmanned Aerial Vehicles have been among the hottest technology trends of the last two decades. Their versatility is testified by their widespread adoption in several different fields. Within a rich research field, this thesis presents novel theoretical results and experimental applications of such technology in the inspection of the built environment. In the first part, the problem of path planning and coordination for Unmanned Aerial Vehicles networks is tackled both for tethered and non-tethered vehicles. In the latter case, several formulations and variations of the Traveling Salesman Problem exist, but none of them tackles the issue of robustness with respect to a single point of failure. We therefore offer a multi-agent version of the Traveling Salesman Problem, also known as Constrained Vehicle Routing Problem, where the ability of completing the planned mission in case of failure of one drone is guaranteed theoretically by the addition of suitable constraints. In the former case, the relatively newer introduction and narrower field of application of systems of tethered drones explains the lack of suitable path planners in literature. We present a real-time planning algorithm for such a system in an unknown environment, assuming vehicles are only equipped with 2D LiDARs, and then refine such planner to embed a Model Predictive Control formulation, endowing safety guarantees. We furthermore illustrate another planner for a human-collaborative tethered drone, based on a Riemannian Motion Planning framework and test it in a real world spray painting scenario. In the second part, two case studies on the application of drones to inspections are presented. While modal analysis is a known and thoroughly tested set of techniques, it is mainly performed through accelerometer measurements or with cameras fixed with respect to the ground. Mounting the camera on a drone enables it to be positioned wherever it is most convenient, at the cost of introducing noise in the measurement. We present a methodology for performing vision-based modal analysis by synchronizing multiple footage sources, from cameras mounted on different drones. This enables the simultaneous measurement of entire sections of a structure. We also verify that the proposed measurement technique is accurate with and without markers present on the structure, provided that an adequate trade-off between camera resolution, oscillation amplitude and distance from the structure is kept. Finally, we present a study of the feasibility of automating the pipeline for energy efficiency assessment of a building, from the data collection planning to the data analysis phase. A drone with a dual (color and infrared) sensor is employed to survey a real-world building by taking pictures. These are then combined to obtain a 3D geometrical model of the appearance of the target building and to map onto it the energy-related information gathered through the infrared images, making the comparison between the building model and the measurements easy and facilitating the tracking of the evolution of its health.

I velivoli senza pilota sono tra le tendenze più popolari nell'ultimo ventennio. La loro versatilità è testimoniata dal loro impiego in diversi ambiti. In un ambito di ricerca affermato e avanzato, questa tesi presenta innovativi risultati teorici e applicazioni sperimentali di questa tecnologia, applicata all'ispezione dell'ambiente costruito. Nella prima parte, si affronta il problema della pianificazione di percorso e di missione per una rete di velivoli, sia connessi da cavi sia non. Nel secondo caso, esistono già varie formulazioni del Problema del Commesso Viaggiatore, ma nessuna di esse tratta di robustezza, intesa come resilienza alla possibilità che uno dei droni vada improvvisamente fuori uso durante la missione. Pertanto, si offre una formulazione multi-agente del problema, anche noto come Constrained Vehicle Routing Problem, in cui la capacità di portare a termine la missione a fronte di un guasto è garantita teoricamente attraverso opportuni vincoli al problema di ottimizzazione. Nel primo caso, l'introduzione recente e l'applicazione ridotta dei sistemi di droni connessi via cavo è una concausa della mancanza in letteratura di metodi per la pianificazione di percorso per tali sistemi. Si presenta quindi un algoritmo per la pianificazione in tempo reale in ambiente ignoto, supponendo che i velivoli siano equipaggiati con sensori LiDARs bi-dimensionali, per poi raffinare l'approccio formulandolo come un problema di Model Predictive Control, che aggiunge garanzie di sicurezza. Si illustra inoltre un altro approccio alla pianificazione per un singolo drone cablato nel contesto di una collaborazione con un operatore umano. L'approccio è poi testato in un caso realistico. Nella seconda parte, si presentano due casi studio dell'applicazione di tali velivoli all'ispezione di edifici. L'analisi modale è una tecnica nota e approfondita, che però viene normalmente applicata sulla base di misure con accelerometri, oppure con videocamere fisse al terreno. Installare una videocamera su un drone consente di posizionarla idealmente, senza vincoli spaziali, seppure al costo di introdurre del rumore nella misura. Si presenta un metodo per applicare l'analisi modale basata su video sincronizzando diverse fonti, da camere montate su droni. Ciò facilita la misurazione simultanea di sezioni intere della struttura. Si verifica che la tecnica proposta produce misure accurate sia con marker sia senza. Infine, si illustra uno studio di fattibilità dell'automazione della procedura di verifica dell'efficienza energetica di un edificio, dalla fase di raccolta dei dati a quella di analisi. Si impiega un drone con doppio sensore (camera a colori e camera a infrarossi), combinando le fotografie ottenute per ottenere una rappresentazione 3D dell'edificio e mappare su di esso i difetti identificati attraverso le fotografie nello spettro infrarosso. Ciò facilita il confronto tra le misurazioni effettuate ed un modello esistente dell'edificio, aiutando a tracciare il suo stato di salute nel tempo.