A Runtime Environment for Micro and Macro UAV Swarms

Un essaim de véhicules aériens sans pilote (UAV) est un groupe de robots volants ou de drones exploitant les capacités de la robotique en essaim pour atteindre un objectif commun. Les drones attirent de plus en plus l'attention depuis quelques années grâce à leurs multiples applications dans des domaines tels que : le militaire, l'agriculture, la recherche et sauvetage, et plus encore. Lorsqu'elles sont couplées à la robotique en essaim, les applications des drones augmentent considérablement et ajoutent de la robustesse, de la flexibilité, de la tolérance aux pannes et de la rapidité d'exécution aux applications existantes. Bien qu'intéressantes, la plupart de ces applications potentielles sont uniquement théoriques, ce qui crée un manque de déploiements réels d'essaims de drones. Passer à des applications dans le monde réel nécessite plusieurs considérations, dont les réseaux ad hoc, l'interaction des utilisateurs, les outils de développement spécifiques au domaine et l'acquisition de télémétrie. Ce mémoire propose de combler le fossé entre la théorie et la réalité pour les essaims de drones à travers deux réalisations concrètes. Tout d'abord, un outil de développement logiciel conçu pour les robots à ressources limitées, appelé BittyBuzz, a été développé. BittyBuzz est un environnement d'exécution du langage Buzz et a été conçu pour les microcontrôleurs. Il a été intégré à plusieurs plates-formes robotiques, dont Bitcraze Crazyflie, un nano quadricoptère utilisé dans la recherche et l'éducation. Deuxièmement, une application d'essaim de drones dans le monde réel a été conçue et déployée pour les opérations de recherche et de sauvetage. L'application utilise un modèle de recherche basé sur le point de rendez-vous et forme une arborescence de relais pour l'étape de sauvetage, permettant la connectivité entre les opéra- teurs au sol et les victimes. L'implémentation a été réalisée en utilisant ROSBuzz, un nœud ROS existant qui encapsule la machine virtuelle Buzz.

Abstract

A swarm of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) is a group of flying robots or drones that leverage the capabilities of swarm robotics to achieve a common goal. UAVs have been attracting an increasing level of attention for the past few years thanks to their multiple ap- plications in fields such as: military, agriculture, search and rescue, and more. When coupled with swarm robotics, the applications of UAVs drastically increase while adding robustness, flexibility, fault tolerance and speed of execution to the existing applications. Although interesting, most of these potential applications are solely theoretical, creating a lack of real- world deployments of UAVs swarms. Moving toward real-world applications requires multiple considerations, including but not limited to ad-hoc networks, user interaction, widespread domain specific development tools and telemetry acquirement. This thesis proposes to bridge the gap between theory and reality for UAV swarms through two concrete realizations. First, a software development tool designed for resource constrained robots, called BittyBuzz was developed. BittyBuzz is a runtime environment for the domain- specific language Buzz, and was designed for microcontrollers. It was integrated with multiple robotic platforms, including Bitcraze Crazyflie, a nano quadcopter used in research and education. Second, a real-world UAV swarm application was designed and deployed for search and rescue operations. The application uses a search pattern based on rendezvous point and forms a relay tree for the rescue stage, allowing connectivity between ground operators and victims. The implementation was realized by using ROSBuzz, an existing ROS node that encapsulates the Buzz Virtual Machine.