Control of an Autonomous Multicopter Fleet for Search and Rescue Missions

Abstract

This thesis presents the requirements and implementation of a Ground Control Station (GCS) application for controlling a fleet of multicopters to perform a Search And Rescue (SAR) mission. The requirements are put together by analysing existing drone types, SAR practices, and available GCS applications. Multicopters are found to be the most feasible drone to use for the SAR use case because of their maneuverability, despite not having the best endurance. Several existing area coverage methods are presented and their usefulness is analyzed for SAR scenarios where different amounts of prior knowledge is available. It is stated that most search patterns can be used with a fleet of drones, by creating drone formations and by dividing the target area into sub-areas. It is noted that most currently available GCS applications are focused on controlling a single drone for either industrial or hobby use.

A proof of concept prototype is developed on top of an open source GCS and tested in field tests. Based on all the previous learnings from the protype and research, a new GCS is designed and developed. The development on optimizing communications between the GCS and the autopilot leads to a filed patent application. The new software is tested with three multicopters in a water rescue scenario and several user interface improvements are made as a result of the learnings. The development of a GCS for controlling a drone fleet for search and rescue is proven feasible.

Työssä esitetään multikopteriparven hallintaan käytettävän Ground Control Station (GCS) ohjelmiston vaatimukset ja toteutus Search And Rescue (SAR) etsintä- ja pelastustehtävien suorittamiseksi. Vaatimukset kootaan yhteen analysoimalla saatavilla olevia droonityyppejä, SAR pelastuskäytäntöjä, sekä GCS ohjelmistoja. Multikopterit osoittautuvat liikkuvuutensa ansiosta pelastustehtäviin sopivimmaksi vaihtoehdoksi, vaikka niiden saavutettavissa oleva lentoaika ei ole parhaimmasta päästä. Erilaisia etsintämetodeja esitetään alueiden kattamiseksi ja niiden hyödyllisyyttä analysoidaan SAR tilanteissa, joissa ennakkotietoa on saatavilla vaihtelevasti. Osoitetaan, että useimpia etsintäalgoritmeja voidaan hyödyntää drooniparvella, muodostamalla lentomuodostelmia, sekä jakamalla kohdealue pienempiin osa-alueisiin. Huomataan, että suurin osa tällä hetkellä saatavilla olevista GCS ohjelmistoista on suunnattu teollisuuden tai harrastelijoiden käyttöön, pääasiassa yksittäisen droonin hallintaan.

Prototyyppi kehitetään avoimen lähdekoodin GCS ohjelmiston pohjalta ja testataan kenttätesteissä. Tästä saadun tiedon avulla suunnitellaan ja kehitetään uusi GCS ohjelmisto. Kehitystyö viestinnän optimoinniksi autopilotin ja GCS ohjelmiston välillä johtaa patenttihakemukseen. Uusi ohjelmisto testataan kolmella multikopterilla vesipelastustilanteessa ja sen seurauksena käyttöliittymään tehdään useita parannuksia. GCS ohjelmiston luominen drooniparven hallintaan etsintä- ja pelastustehtävissä todetaan mahdolliseksi.