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La Gloria, Nicola (2008) Simultaneous localization and mapping applied to an airship with inertial navigation system and camera sensor fusion. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

This thesis handles the problem of Simultaneous Localization an Mapping (SLAM) applied to
airships by sensor fusion between Inertial Measurement Unit (IMU) and a Vision system (mono
or stereo cameras).
The simultaneous localization and mapping problem asks if it is possible for a mobile robot to
be placed at an unknown location in an unknown environment and to incrementally build a consistent map of this environment while simultaneously determining its location within this map.
Lighter-than-atmosphere (LTA) systems provide signi?cant advantages for planetary exploration
due to their potential for extended mission duration, long traverse, and extensive surface coverage capabilities. Robotic airships, in particular, are ideal platforms for airborne planetary
exploration. Airships have modest power requirements, and combine the extended airborne capability of balloons with the maneuverability of airplanes or helicopters.
A consistent dynamical model has been developed which include aerodynamic, actuators and
enviromental modelling. The aerodynamic model proposed uses the integration of the added mass contribution to estimate pressure forces and moments due to potential ?ow, while explicit
form for aerodinamic forces has been derived to compute viscous effects on the hull.
The state-based formulation of the SLAM involves the estimation of a joint state and its computational complexity scales quadratically with the number of landmarks.
First implementations adopted the classic EKF to build a consistent map of a unknown landscape
by IMU measurement as inputs for the system and stereo camera to provide bearing and range
measurements. As the number of landmark increased less performant become the estimation
process, so in order to manage large maps a variation of the EKF has been implemented: the
Compressed Extented Kalman Filter.
Both EKF and CEKF solutions has been tested vitually in a Titan simulated enviroment, using
the dynamical data of the Titan Explorer airship produced by the dynamics and control simulator.
In order to go beyond the limits of a stereo system given by increasing errors at higher altitudes,
a SLAM techique based on single camera measurement has been developed. Here for every new
landmark measured, a sub?ltering process is invoked to estimate the depth of the landmark.

Abstract (italiano)

Questo lavoro di tesi affronta il problema dello SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) come strumento di navigazione autonoma per dirigibili (detti in generale veicoli LTA,
lighter-than-atmosphere ). La problematica dello SLAM è veri?care se è possibile per un robot
essere collocato all’interno di un luogo sconosciuto, in una posizione sconosciuta, e di costruirne
incrementalmente, muovendosi all’interno di esso, una mappatura consistente determinando la
sua posizione all’interno di essa.
I dirigibili sono delle piattaforme strategiche in quanto hanno bassi requsiti energetici, permettono missioni più longeve e possono attraversare vasti territori inacessibili ai rover. La
loro controllabilità permette la piani?cazione di traiettorie ad-hoc per lo studio delle super?ci
planetarie per lunghe distanze potendo variare la proria altezza operativa a seconda delle
necessità.
In questo lavoro è stata analizzata la
dinamica del dirigibile mediante la scrittura e la risoluzione numerica delle equazioni del moto e sono stati validati alcuni risultati salienti implementando un modello dinamico
proveniente da recenti pubblicazioni sullo studio dei veicoli marini. Le forze aerodinamiche ”potenziali” dovute alla pressione del ?uido sono modellate mediante l’integrazione della dinamica della
massa virtuale, mentre i contributi viscosi sono stati ottenuti mediante relazioni semi-empiriche note dalla letteratura.
E’ stato affrontato lo studio e l’implementazione della soluzione al problema dello SLAM sia mediante l’utilizzo del ?ltro di Kalman esteso classico, (Extended Kalman Filter ), che mediante la
sua variante compressa CEKF (Compressed Extended Kalman Filter ). Quest’ultima è di grande
applicabilità nel caso la mappa contenga un numero di landmark tale da rendere troppo elevato
il costo computazionale e quindi si renda necessario la suddivisione in sottomappe del landscape
in esame.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Debei , Stefano
Correlatore:Da Forno, Roberto
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 20 > Scuole per il 20simo ciclo > SCIENZE TECNOLOGIE E MISURE SPAZIALI > ASTRONAUTICA E SCIENZE DA SATELLITE
Data di deposito della tesi:02 Febbraio 2009
Anno di Pubblicazione:2008
Parole chiave (italiano / inglese):Airship dynamics and control slam autonomous navigation
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-INF/04 Automatica
Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/06 Fluidodinamica
Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/05 Impianti e sistemi aerospaziali
Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/03 Meccanica del volo
Struttura di riferimento:Centri > Centro Interdipartimentale di ricerca di Studi e attività  spaziali "G. Colombo" (CISAS)
Codice ID:1930
Depositato il:02 Feb 2009
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Bibliografia

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