We present a multirotor Unmanned Aerial Vehicle control (UAV) and estimation system for supporting replicable research through realistic simulations and real-world experiments. We propose a unique multi-frame localization paradigm for estimating the states of a UAV in various frames of reference using multiple sensors simultaneously. The system enables complex missions in GNSS and GNSS-denied environments, including outdoor-indoor transitions and the execution of redundant estimators for backing up unreliable localization sources. Two feedback control designs are presented: one for precise and aggressive maneuvers, and the other for stable and smooth flight with a noisy state estimate. The proposed control and estimation pipeline are constructed without using the Euler/Tait-Bryan angle representation of orientation in 3D. Instead, we rely on rotation matrices and a novel heading-based convention to represent the one free rotational degree-of-freedom in 3D of a standard multirotor helicopter. We provide an actively maintained and well-documented open-source implementation, including realistic simulation of UAV, sensors, and localization systems. The proposed system is the product of years of applied research on multi-robot systems, aerial swarms, aerial manipulation, motion planning, and remote sensing. All our results have been supported by real-world system deployment that shaped the system into the form presented here. In addition, the system was utilized during the participation of our team from the CTU in Prague in the prestigious MBZIRC 2017 and 2020 robotics competitions, and also in the DARPA SubT challenge. Each time, our team was able to secure top places among the best competitors from all over the world. On each occasion, the challenges has motivated the team to improve the system and to gain a great amount of high-quality experience within tight deadlines.


翻译:我们提出了一个多机器人无人驾驶飞行器控制(UAV)和估算系统,用以通过现实模拟和现实世界实验支持可复制的研究。我们提出一个独特的多框架本地化模式,用以利用多个传感器同时使用多个传感器对不同参照框架的UAV状态进行估算。该系统使全球导航卫星系统和全球导航卫星系统封闭环境中的复杂任务得以进行,包括户外过渡和为备份不可靠的本地化源而执行冗余的估算仪。我们提出了两种反馈控制设计:一个用于精确和积极的操作,另一个用于稳定、平稳的飞行,并作出响亮的国家估计。拟议的控制和估算管道是在不使用Euler/Tait-Bryan角度3D方向表示的情况下建造的。相反,我们依靠轮换矩阵和一个全新的基于标题的公约,以在3D中代表一个自由自由的自旋自由度,用于支持标准多色相直升机的过渡。我们积极维持并记录有条理的开放源实施,包括准确的对UAVAV、安全传感器和本地化系统内部的挑战。拟议系统是多年应用的系统成果,用于多式的多式系统、空中操纵系统、空中操纵的每个时间段期间支持。

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