Automatické přistání dronu na pozemní cíl

Abstract

Tato práce představuje návrh a implementaci komplexního systému pro autonomní řízení dronu s klíčovou schopností přesného přistání na pozemní značku pomocí monokulární vize. V průběhu vývoje se původní záměr vyřešit pouze přistávací fázi rozvinul v ucelený přístup k autonomnímu řízení. Systém využívá vícevrstvou architekturu: distribuovanou infrastrukturu na bázi ROS2, formální model časovaného automatu pro zajištění determinismu, dozorovou vrstvu pro monitoring bezpečnosti a aplikační vrstvu realizující konkrétní funkce. Pro přesné přistání je implementována pokročilá metoda využívající monokulární kameru a detekci ArUco značek, která překonává omezení GPS navigace a dosahuje centimetrové přesnosti. Kaskádní PID regulátory zajišťují stabilní horizontální pozici nad značkou a adaptivní vertikální sestup. Testování v simulovaném prostředí prokázalo schopnost systému dosáhnout přesnosti přistání 2,8 cm v ideálních podmínkách a spolehlivou funkci i při zhoršených světelných podmínkách a mírném větru. Při překročení bezpečných limitů systém automaticky aktivuje nouzové procedury. Modulární architektura umožňuje nezávislý vývoj jednotlivých komponent a snadné rozšíření o další autonomní funkce, přičemž přesné přistání na vizuální značku představuje praktickou demonstraci schopností celého systému.

This thesis presents the design and implementation of a comprehensive system for autonomous drone control with a key capability of precision landing on ground markers using monocular vision. During development, the original intent to solve only the landing phase evolved into a holistic approach to autonomous control. The system employs a multi-layered architecture: a distributed infrastructure based on ROS2, a formal timed automaton model ensuring determinism, a supervisory layer for safety monitoring, and an application layer implementing specific functions. For precision landing, an advanced method utilizing a monocular camera and ArUco marker detection is implemented, overcoming GPS navigation limitations to achieve centimeter-level accuracy. Cascaded PID controllers ensure stable horizontal positioning above the marker and adaptive vertical descent. Testing in a simulated environment demonstrated the system's ability to achieve landing accuracy of 2.8 cm under ideal conditions and reliable operation even in low-light conditions and moderate wind. When exceeding safe limits, the system automatically activates emergency procedures. The modular architecture allows independent development of individual components and easy extension with additional autonomous functions, with precision landing on visual markers serving as a practical demonstration of the entire system's capabilities.