MRS UAV System

Lo stack completo di controllo e stima per droni del CTU di Praga, per la ricerca e l'impiego sul campo

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Panoramica

MRS UAV System è lo stack di ricerca completo per multirotori del Multi-robot Systems Group dell'Università Tecnica Ceca di Praga, uno dei laboratori di robotica aerea più premiati d'Europa. Fornisce l'intera pipeline, dalla stima dello stato all'inseguimento del riferimento fino al controllo della velocità d'assetto sopra PX4, un ambiente di simulazione Gazebo corrispondente e le configurazioni hardware con cui il gruppo vola negli esperimenti reali, dagli sciami agli impieghi in grotta della DARPA SubT.

Il design del controllo è il biglietto da visita del sistema: un controller geometrico SE(3) e varianti incrementali poggiano su un livello di inseguimento del riferimento (tracker basati su MPC che generano traiettorie realizzabili e rispettose dei vincoli a partire da riferimenti arbitrari), con commutazione automatica di controller e tracker, inseguimento feed-forward di riferimenti dinamici e failsafe sicuri. La stima fonde GNSS/RTK, flusso ottico e SLAM visivo e LiDAR in stimatori dello stato intercambiabili che si possono commutare in volo. Lo stack di simulazione rispecchia la realtà al punto che gli articoli del gruppo passano regolarmente dalla simulazione al campo con le stesse configurazioni; il modello di rilascio del repository (stable/testing/unstable, pacchetti apt, ambienti in container) tratta il codice di ricerca con una disciplina da produzione. Piattaforme hardware documentate (costruzioni di classe F450/F550, kit di Unmanned Systems) e una vasta costellazione di pacchetti complementari (generazione di traiettorie, sciami, percezione) ne fanno il punto di partenza aperto più completo per la ricerca seria sui droni multirotore: molti laboratori nel mondo eseguono i propri esperimenti aerei sullo stack MRS, e l'articolo di sistema su JINT del 2021 è un riferimento standard.

Perché è importante

È lo stack dietro uno dei principali gruppi di ricerca sui droni al mondo (DARPA SubT, sciami di droni, manipolazione aerea), rilasciato con un packaging di livello produttivo. Per un laboratorio che avvia la ricerca sui multirotori, è la differenza tra anni di lavoro sull'infrastruttura e un apt install.

Il problema che risolve

La ricerca seria sui droni ha bisogno di un controllo di basso livello affidabile, di una stima commutabile e di un simulatore che corrisponda al campo: un'infrastruttura che la maggior parte dei laboratori ricostruisce male. Il sistema MRS fornisce tutto questo, collaudato in volo, documentato e mantenuto di continuo.

Punti chiave

• Pipeline di controllo completa: controllo geometrico SE(3) con tracker di riferimento basati su MPC e failsafe
• Stima dello stato commutabile in volo che fonde GNSS/RTK, flusso ottico e fonti SLAM
• Simulazione Gazebo allineata alle piattaforme reali: stesse configurazioni dalla simulazione al campo
• Canali di rilascio stable/testing, pacchetti apt e ambienti in container
• Collaudato in volo: DARPA SubT, ricerca sugli sciami, centinaia di campagne sul campo (articolo JINT 2021)

A chi si rivolge

• Laboratori di ricerca di robotica aerea
• Ricercatori di controllo e stima per droni
• Squadre che conducono esperimenti sul campo con più droni
• Dottorandi che iniziano la ricerca sui multirotori

Limiti

• Nucleo incentrato su ROS 1, con la transizione a ROS 2 ancora in corso
• Configurazione iniziale ripida e ampia superficie di configurazione per i nuovi utenti
• Strettamente legato ai droni multirotore di classe PX4: non è uno stack per ala fissa o per il volo hobbistico