Tracking of moving targets with an aerial robot

Abstract

Bu tez, çevrimiçi olarak bir hava robotu ile üzerinde bir radyo verici olan hareketli bir hedefin takibi problemini ele almaktadır. Hava robotu, hedeften gelen sinyali almak için düşük maliyetli bir yönlü anten ve Yazılım Tanımlı Radyo tabanlı bir alıcıya sahiptir. Hava robotu, sinyal gücünün en yüksek olduğu doğrultu açısını belirlemek için kendi etrafında belirli açılarda dönerek, hedeften gelen sinyalleri kaydeder. Ölçüm belirsizliğinin bir açıortay ile bölünmüş iki üçgen alanla sınırlandığı ve temsil edildiği varsayılır. Hedefin yerini belirlemek ve izlemek için parçacık filtresi tabanlı bir yaklaşım önerilmiştir. Bu yaklaşımda, ayrık ve sınırlı ölçüm modeli parçacık filtresi ile entegre edilmiştir. Bu entegrasyon parçacıkların ağırlıklarının güncellenmesi yöntemi ile sağlanmıştır. Parçacıkların ağırlıkları, parçacıkların ölçüm alanına ve bu alanın açıortayına olan yakınlığı kullanılarak, lojistik fonksiyonu yardımıyla güncellenmiştir. Ayrıca ölçüm yerlerini belirlemek için ikiye katlama stratejisi parçacık filtresine dahil edilmiştir. Önerilen yaklaşımın takip performansı, değişen hız ve ivme ile hareket eden bir hedef kullanılarak doğrulanmıştır. Bu amaçla yaban hayatı çalışmalarında hayvan hareketlerinin modellenmesinde kullanılan dört farklı hareket modelinden (Heterojen Davranış, Levy Yürüş, Rasgele Yürüyüş ve Hız Modeli) yararlanılmıştır. Bir dizi kapsamlı simülasyon aracılığıyla yaklaşımın hedef takip performansı doğrulanmıştır. Saha deneyleri için düşük maliyetli çok-rotorlu bir robotik platform ve yazılım altyapısı geliştirilmiştir. Daha sonra bu platform kullanılarak, sabit ve hareketli hedefler için saha deneyleri yapılmıştır.

This thesis considers the problem of tracking a moving target with a radio transmitter using an aerial robot in an online manner. The aerial robot is equipped with a low-cost directional antenna and Software Defined Radio based USB receiver to obtain the signal. The aerial robot rotates around itself and takes a predefined number of measurements to obtain the bearing angle in which the received signal strength is maximized. The measurement uncertainty is assumed to be bounded and represented by two triangular areas divided by a bisector. To localize and track the target, a particle filter based approach is proposed. In this approach, we integrate discrete and bounded measurement model with the particle filter in such a way that the particles' weights are updated based on a novel method which considers the measurement wedge and the particles' location along with a logistic function. We also incorporate the doubling strategy into the particle filter in order to determine the measurement locations. The proposed approach is validated using a target moving with varying velocity and acceleration. For this purpose, we make use of four different motion models (Heterogeneous Behavior, Levy Walk, Random Walk and Velocity Model), which are used in modelling animal movements in wild life studies. We validated the tracking performance of the approach through a series of extensive simulations. For the field experiments, we developed a low-cost hardware platform and software infrastructure for the proposed tracking system. Using this platform, we conducted field experiments for the stationary and moving targets.