A sim-to-real simulation framework for sensors and state estimation algorithms in quadrotor drones

This thesis project aims at developing a sim-to-real simulation framework to accurately model the behavior of on-board sensors and state estimation algorithms running on quadrotor drones. The main contributions are several models of IMU(Inertial Measurement Unit), laser-scan sensors and optical sensors that allow accurate simulations of the complete behavior of a quadrotor in a virtual environment. The framework is implemented in the Robot Operating System (ROS) and the physics-based engine Gazebo is used to simulate the quadrotor behavior which includes nonlinear dynamics, control feedback mechanisms and state estimation algorithms. Regarding sensor modelling, we implement and test digital twins of a laser-scan sensor and an optical sensor. Furthermore, we also implement two estimation algorithms in simulation and part of experiments. In particular, we compared the Extended Kalman Filter(EKF) and the standard complementary filter which are the state-of-art filters in most commercial quadrotors. The platform used for both simulation and experiments is the Crazyflie 2.1 quadrotor developed by Bitcraze. Finally, the motion planning and room mapping simulation tests are used to test the accuracy of the virtual elements implemented.

Questo progetto di tesi mira a sviluppare un framework di simulazione sim-to-real per modellare accuratamente il comportamento dei sensori di bordo e gli algoritmi di stima dello stato in esecuzione su droni quadrotor. I contributi principali sono diversi modelli di IMU, sensori a scansione laser e sensori ottici che consentono simulazioni accurate del comportamento completo di un quadrirotore in un ambiente virtuale. Il framework è implementato nel Robot Operating System (ROS) e il motore basato sulla fisica Gazebo viene utilizzato per simulare il comportamento del quadrotore che include dinamiche non lineari, meccanismi di feedback di controllo e algoritmi di stima dello stato. Per quanto riguarda la modellazione dei sensori, implementiamo e testiamo i gemelli digitali di un sensore a scansione laser e un sensore ottico. Inoltre, implementiamo anche due algoritmi di stima sia in simulazione che in esperimenti. In particolare, abbiamo confrontato il filtro Kalman esteso (EKF) e il filtro complementare standard che sono i filtri all'avanguardia nella maggior parte dei quadrirotori commerciali. La piattaforma utilizzata sia per la simulazione che per gli esperimenti è il quadrotor Crazyflie 2.1 sviluppato da Bitcraze. Infine, i test di simulazione di motion planning e room mapping vengono utilizzati per testare l'accuratezza degli elementi virtuali implementati.