Desarrollo de un sistema de captura y formación de imágenes hiperespectrales mediante un UAV

Abstract

En el presente documento se explica el desarrollo de un sistema capaz de capturar imágenes hiperespectrales mediante un vehículo aéreo no tripulado (UAV). Además se explica la teoría necesaria para comprender los conceptos que engloban la solución y los resultados obtenidos, así como las conclusiones y recomendaciones para futuros trabajos. También se mencionan algunos problemas relevantes que en algún momento detuvieron el avance de ciertas tareas y modificaron los planes de trabajo y las prioridades de este proyecto. El proyecto consistió de varias etapas de trabajo. Primero, se desarrolló un algoritmo para generar rutas o misiones para el UAV, con el n de que sean ejecutadas de forma autónoma. Para esto fue fundamental tomar en cuenta el método de captura de la cámara hiperespectral, ya que esto de finió las condiciones generales de vuelo. También se tomaron en cuenta parámetros que varían con cada vuelo, como el solape deseado entre las imágenes, altura, entre otros. Estos parámetros son insertados por la persona que ejecuta el algoritmo y con base en ellos son de nidos los puntos v a de cada ruta. Se hizo una guía para programar las rutas en el software Mission Planner, explicando los aspectos que se deben considerar al llevar una cámara hiperespectral en el UAV. Posteriormente, se llevó a cabo el montaje estructural del UAV, junto con las modificaciones necesarias para realizar los vuelos, así como la instalación de sensores y actuadores. Además se configuró el Pixhawk 2 con el n de controlar el UAV durante el vuelo. Después de esto, se planteó una estrategia para ejecutar una serie de pruebas de vuelo, como guía para futuros trabajos del grupo de investigación y que sea más fácil llegar a una versión final del proyecto, más allá de lo avanzado en el trabajo presentado en este documento. Esto con el n de no poner en riesgo el UAV, sus componentes internos y la cámara hiperespectral en las pruebas futuras. Luego como trabajo adicional, se hicieron correcciones en un estabilizador inercial (conocido comúnmente como "gimbal") que tuvo resultados pocos exitosos en trabajos previos realizados por el grupo de investigación. Por esta razón, en este trabajo se hicieron principalmente modificaciones mecánicas en las piezas y se propuso una solución al mal comportamiento del sistema de control empleado previamente en el estabilizador inercial. Se hicieron planos mecánicos del estabilizador corregido. Por ultimo se realizó un algoritmo para formar mapas hiperespectrales utilizando Matlab. Para esto fue necesario programar un método para unir los cubos hiperespectrales, teniendo en consideración la cámara hiperespectrales seleccionada. Es importante aclarar que todas estas etapas independientes se realizaron considerando una futura integración de las mismas. Por esta razón, los avances realizados en este trabajo y el desarrollo de cada una de las partes queda debidamente documentado para el seguimiento del proyecto por parte del Grupo Integrado de Ingeniería (GII), donde fue realizado.

In this document, it is explained the development of a system capable of capturing hyperspectral images using an unmanned aerial vehicle (UAV). In addition, it is explained the necessary theory to comprehend concepts related with the solution, results, conclusions of this work and recommendations for the future. Finally, some relevant problems are mentioned, which stopped the progress of some tasks and modi ed the work plans and priorities of the project. The project consisted of many stages. First, it was developed an algorithm to create routes or missions for the UAV, which would be followed autonomously. The method used by the hyperspectral camera to capture images is very important, because it de ned the general ight conditions. Moreover, some parameters that change with every ight were also considered, such as the overlap between images, the height, and some others. These parameters are de ned by the person who executes the algorithm, so the points of the route (way points) can be calculated. A guide of how to create and program missions in the Mission Planner software was made, considering the aspects related with the hyperspectral camera and how it a ects the mission. Second, it was made the assembly of the UAV, making all the modi cations that it needed to y, like placing sensors and actuators. Furthermore, a Pixhawk 2 was con gured to control the UAV during the ight. After this, it was proposed a strategy to execute some ight tests as a guide for the investigation group. In this way, it will be easier to continue with this project in the future and get its nal version. The objective of this strategy is to avoid risks for the UAV and its internal components including the camera, while making the tests that were not made in this work. As additional task, some corrections were made on an inertial stabilizer (commonly known as "gimbal"), which had unsuccessful results in previous works made by the investigation group. For this reason, some mechanical modi cations were made, and it was proposed a solution to the control system that the stabilizer had. The respective mechanical drawings of the modi ed stabilizer were made. Finally, it was made an algorithm to create hyperspectral maps, using Matlab. Consequently, it was necessary to program a method to join the hyperspectral cubes, considering the selected hyperspectral camera. It's important to mention that all these independent stages were developed considering their integration in the future. For this reason, all the progress of this work and every stage is documented to allow the investigation group (Grupo Integrado de Ingeniería) to continue the project.