Um método de planejamento de rotas de voo de VANTs multirotor para cobertura de áreas utilizando a meta-heurística ACO

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2019
Autor(a) principal: Franco, Lucas dos Santos
Orientador(a): Kato, Edilson Reis Rodrigues lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCC
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
CPP
ACO
UAV
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/12177
Resumo: With the popularization of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), and with the expansion of the application areas of this technology, there is an increase of research focused on flight route planning. This work starts from the use of UAVs in agricultural scenarios in the aerial imaging task. The objective is to present a Coverage Path Planning (CPP) method for multirotor UAVs and compare it with a solution already used in the market. The developed method considers scenarios with multiple terrains, and seeks to present a route proposal with optimization of the order of visitation of the terrain, minimizing the number of curves of the route and the total distance of the route. The presented method contains three main steps. The first deals with the decomposition of areas, where terrains represented by concave polygons are decomposed into smaller convex shaped subareas using a greedy algorithm. The second step calculates the flight direction that minimizes the number of course curves in each of the subareas, finding the direction of the highest polygon height to guide the direction of the round-trip movement pattern application, known in the literature by default boustrophedon. The third step deals with subarea visit order optimization, at this stage the scenario is modeled as a specialization of the Generated Travelling Salesman Problem (GTSP), and to solve this problem we use the Ant Colony Optimization algorithm (ACO). The results obtained by the proposed method are compared with the solutions proposed by a route planning program already used by the market, the Mission Planner. To measure the efficiency of the solutions, two variables were considered: the total distance traveled and the number of route curves. Through the obtained results one can map the types of scenarios where the developed method can aggregate with the market.
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The objective is to present a Coverage Path Planning (CPP) method for multirotor UAVs and compare it with a solution already used in the market. The developed method considers scenarios with multiple terrains, and seeks to present a route proposal with optimization of the order of visitation of the terrain, minimizing the number of curves of the route and the total distance of the route. The presented method contains three main steps. The first deals with the decomposition of areas, where terrains represented by concave polygons are decomposed into smaller convex shaped subareas using a greedy algorithm. The second step calculates the flight direction that minimizes the number of course curves in each of the subareas, finding the direction of the highest polygon height to guide the direction of the round-trip movement pattern application, known in the literature by default boustrophedon. The third step deals with subarea visit order optimization, at this stage the scenario is modeled as a specialization of the Generated Travelling Salesman Problem (GTSP), and to solve this problem we use the Ant Colony Optimization algorithm (ACO). The results obtained by the proposed method are compared with the solutions proposed by a route planning program already used by the market, the Mission Planner. To measure the efficiency of the solutions, two variables were considered: the total distance traveled and the number of route curves. Through the obtained results one can map the types of scenarios where the developed method can aggregate with the market.Com a popularização dos Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs), e com a ampliação das áreas de aplicações dessa tecnologia, nota-se um aumento de pesquisas com foco no planejamento de rotas de voo. Este trabalho parte da utilização de VANTs em cenários agrícolas na tarefa de imageamento aéreo. O objetivo é apresentar um método de planejamento de rota de cobertura (Coverage Path Planning - CPP) para VANTs multirotor e comparar este método com uma solução já utilizada no mercado. O método desenvolvido considera cenários com múltiplos terrenos, e busca apresentar uma proposta de rota com otimização de ordem de visitação dos terrenos, minimização do número de curvas e da distância total do percurso. O método apresentado contém três etapas principais. A primeira trata da decomposição das áreas, onde terrenos representados por polígonos côncavos são decompostos em subáreas menores de formato convexo através da utilização de um algoritmo guloso. A segunda etapa calcula a direção de voo que minimiza o número de curvas de trajeto em cada uma das subáreas, encontrando a direção da maior altura do polígono para orientar o sentido da aplicação de padrão de movimentação de ida e vinda, conhecido na literatura por padrão boustrophedon. A terceira etapa trata da otimização da ordem de visita das subáreas, nesta fase o cenário é modelado como uma especialização do Problema de Caixeiro Viajante, conhecida como Caixeiro Viajante Generalizado (Generalized Travelling Salesman Problem - GTSP), e para solucionar este problema é utilizado o algoritmo de Otimização por Colônia de Formigas (Ant Colony Optimization - ACO). Os resultados obtidos através do método proposto são comparados com as soluções propostas por um programa de planejamento de rota já utilizado pelo mercado, o Mission Planner. Para medir a eficiência das soluções foram consideradas duas variáveis: a distância total percorrida e o número de curvas da rota. Através dos resultados obtidos pôde-se mapear os tipos de cenários onde o método desenvolvido pode agregar com as soluções de mercado.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência da Computação - PPGCCUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessVANTPrecision agricultureCoverage path planningGeneralized travelling salesman problemAnt colony optimizationAgricultura de precisãoPlanejamento de rota de coberturaCPPProblema do caixeiro viajante generalizadoGTSPOtimização por colônias de formigasACOUAVCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::MATEMATICA DA COMPUTACAOCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::METODOLOGIA E TECNICAS DA COMPUTACAOCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::SISTEMAS DE COMPUTACAOCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::TEORIA DA COMPUTACAOUm método de planejamento de rotas de voo de VANTs multirotor para cobertura de áreas utilizando a meta-heurística ACOA method of flight route planning of multirotor UAVs for areas coverage using the ACO metaheuristicinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis6006001c64d62e-b035-4758-ae1e-e72824975942reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALDissertacao-Mestrado_Lucas-Franco.pdfDissertacao-Mestrado_Lucas-Franco.pdfDissertacao-Mestrado_Lucas-Francoapplication/pdf28150843https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/5bba6cb8-101e-4c6e-ba84-e44efa9ba112/download9e61ea7c6215859f9519812151b13eebMD54trueAnonymousREADPPGCC_Template_dec_BCO_Lucas.pdfPPGCC_Template_dec_BCO_Lucas.pdfCarta comprovanteapplication/pdf346944https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/55f3e279-0d49-4b39-b2c5-90618d638257/download6d2bd085cbc000df21e27f38749ba842MD52falseAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/a7f00cc8-d730-42c1-9ec7-baea9bdbbd50/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD55falseAnonymousREADTEXTDissertacao-Mestrado_Lucas-Franco.pdf.txtDissertacao-Mestrado_Lucas-Franco.pdf.txtExtracted texttext/plain195833https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/e15c9c3b-fea5-487c-a045-e312657058e9/download6b7077344b5ce4fac920e2651a79b855MD510falseAnonymousREADPPGCC_Template_dec_BCO_Lucas.pdf.txtPPGCC_Template_dec_BCO_Lucas.pdf.txtExtracted texttext/plain2https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/370741c5-fbd3-418d-b2d7-ce17e43feebf/downloadd784fa8b6d98d27699781bd9a7cf19f0MD512falseAnonymousREADTHUMBNAILDissertacao-Mestrado_Lucas-Franco.pdf.jpgDissertacao-Mestrado_Lucas-Franco.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6182https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/22724724-abfd-46c5-bf50-44ba40953ac6/downloaddaa0071a2fa91ef31eaffb1308346658MD511falseAnonymousREADPPGCC_Template_dec_BCO_Lucas.pdf.jpgPPGCC_Template_dec_BCO_Lucas.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg9820https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/ec743e73-aa14-4daa-84db-253434cb51ca/downloaddcf4034d3995002cf59ddfc0e1f00283MD513falseAnonymousREAD20.500.14289/121772025-02-05 18:21:15.622http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/12177https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-05T21:21:15Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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