Study and implementation of an innovative fully autonomous flying robotic system for life-saving services

Abstract

Το μεγαλύτερο πρόβλημα κατά την διάρκεια καταστάσεων εκτάκτου ανάγκης είναι η άμεση αντίδραση και η παροχή βοηθειών πρώτης ανάγκης στα υπό κίνδυνο άτομα. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν ότι οι πιθανότητες επιβίωσης του υπό κίνδυνο ατόμου μειώνονται δραματικά με την πάροδο του χρόνου ανίχνευσης του, ο χρόνος αντίδρασης αποτελεί καίριας σημασίας παράγοντα κατά τη διάρκεια των επιχειρήσεων έρευνας και διάσωσης καθώς ενδεχόμενες καθυστερήσεις μπορεί να οδηγήσουν σε δραματικά αποτελέσματα. Επιπλέον, η ασφάλεια των μελών των ομάδων διάσωσης αποτελεί ένα άλλο μείζoν θέμα και θα πρέπει να διασφαλιστεί σε κάθε περίπτωση. Τα μη-επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAVs) μπορούν να παρέχουν αποφασιστικής σημασίας και πολυπρόσωπη στήριξη στις επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης αφού πρόκειται για γρήγορα και ευέλικτα εναέρια ρομποτικά συστήματα τα οποία μπορούν να προγραμματιστούν εύκολα προκειμένου να λειτουργούν πλήρως αυτόνομα. Συνεπώς, έχοντας ως στόχο να αυξήσουν τις πιθανότητες διάσωσης των υπό κίνδυνο ατόμων, τα ρομποτικά εναέρια οχήματα-είτε τηλεκατευθυνόμενα είτε πλήρως αυτόνομα- οφείλουν να είναι πάντα διαθέσιμα να προσφέρουν ένα χρήσιμο χέρι βοηθείας στις διασωστικές ομάδες ενισχύοντας παράλληλα την απόδοση τους και εξασφαλίζοντας την σωματική ακεραιότητα των εργαζόμενων σε αυτές. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την μελέτη και την υλοποίηση ενός καινοτόμου πλήρως αυτόνομου ρομποτικού συστήματος διάσωσης βασισμένο στη τεχνολογία των UAVs. Η υλοποίηση και η λειτουργικότητα του προτεινόμενου συστήματος βασίζεται στην συνδυαστική χρήση προηγμένων μεθόδων γεωεντοπισμού και αλγορίθμων βαθιάς μάθησης. Συγκεκριμένα, το προτεινόμενο σύστημα με το ακρωνύμιο ROLFER (Robotic Lifeguard For Emergency Rescue), καθιστά εφικτό τον ακριβή εντοπισμό και την παροχή του κατάλληλου εξοπλισμού βοήθειας στα υπό κίνδυνο άτομα κατά τη διάρκεια καταστάσεων εκτάκτου ανάγκης. Τα κύρια μέρη του προτεινόμενου συστήματος είναι: το πλήρως αυτόνομο διασωστικό UAV με τον απαραίτητο φερόμενο εξοπλισμό βοήθειας, ο επίγειος σταθμός βάσης με το απαραίτητο υλικό (hardware) και λογισμικό (software) για την εύρυθμη λειτουργία του συστήματος, καθώς επίσης και ο κατάλληλος φορητός εξοπλισμός του χρήστη (άτομο σε κίνδυνο) για την εκπομπή του σήματος κινδύνου. Επιπλέον, η μελέτη και υλοποίηση ενός σεναρίου διάσωσης σε υδάτινο και χερσαίο περιβάλλον εξετάζεται διεξοδικά. Οι κύριοι στόχοι της παρούσας διδακτορικής διατριβής συνοψίζονται ως εξής: Η μελέτη, ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός πλήρως αυτόνομου ρομποτικού συστήματος εναέριας παροχής βοήθειας για την παροχή απαραίτητου εξοπλισμού σε άτομα που βρίσκονται σε κίνδυνο, Η ανάπτυξη σεναρίου διάσωσης σε θαλάσσιο και χερσαίο περιβάλλον, Ο εντοπισμός του ατόμου σε κίνδυνο με τη χρήση διαφόρων προηγμένων μεθόδων που βασίζονται στη χρήση γεωεντοπισμού (παγκόσμιο σύστημα δορυφορικής πλοήγησης), Ο εντοπισμός, παρακολούθηση και χωροθέτηση του ατόμου σε κίνδυνο με τη χρήση προηγμένων τεχνικών επεξεργασίας εικόνας για την απελευθέρωση του κατάλληλου εξοπλισμού με υψηλή ακρίβεια, Η ανάλυση επικινδυνότητας του προτεινόμενου εναέριου ρομποτικού συστήματος με εφαρμογή της εξειδικευμένης μεθόδου STPA, για την εύρεση των προδιαγραφών ασφαλείας του καθώς και για την ελαχιστοποίηση των πιθανών απειλών τόσο για το άτομο που κινδυνεύει όσο και για την ομάδα διάσωσης. Συνεπώς, η δομή της παρούσας διδακτορικής διατριβής βασίζεται στους παραπάνω σκοπούς. Συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 1 γίνεται εισαγωγή της χρήσης των ρομποτικών συστημάτων στις επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης, συμπεριλαμβάνοντας χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τα μη-επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAVs), εκτενή ανασκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας, καθώς επίσης και την συνεισφορά της παρούσας διατριβής στην επιστήμη. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η δομή και η αρχιτεκτονική του προτεινόμενου διασωστικού συστήματος συμπεριλαμβανομένων και των λεπτομερειών τόσο του υλικού (hardware) όσο και του λογισμικού (software), καθώς επίσης και την αξιολόγηση του σε θέματα σχετικά με την ακρίβεια και του χρόνου παρέμβασης του. Στο Κεφάλαιο 3 εξετάζεται ο ακριβής εντοπισμός της θέσης του υπό κίνδυνο ατόμου με χρήση προηγμένων τεχνικών γεωεντοπισμού (RTK-GPS). Συγκεκριμένα παρουσιάζεται ένα βελτιωμένο σύστημα εντοπισμού το οποίο βασίζεται σε μια προσαρμοσμένη φορητή συσκευή που επιτρέπει τον εντοπισμό της θέσης του ατόμου σε κίνδυνο με ακρίβεια μερικών εκατοστών. Αποτελέσματα από την αξιολόγηση της χρήσης της συγκεκριμένης πρωτότυπης συσκευής περιγράφονται λεπτομερώς. Η υλοποίηση και εφαρμογή προηγμένων αλγορίθμων επεξεργασίας εικόνας για την βέλτιστη δυνατή ακρίβεια εντοπισμού της θέσης του ατόμου που κινδυνεύει παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 4. Συγκεκριμένα, η υλοποίηση αυτή πραγματοποιείται με δύο διαφορετικές προσεγγίσεις: α) με την χρήση αλγορίθμων βαθιάς μάθησης ενσωματωμένων στο αυτόνομο μη-επανδρωμένο εναέριο όχημα, για τον εντοπισμό του υπό-κίνδυνο ατόμου σε υδάτινο περιβάλλον, β) με συνδυαστική χρήση προηγμένων μεθόδων γεωεντοπισμού (RTK-GPS) και προηγμένων αλγορίθμων υπολογιστικής όρασης στον επίγειο σταθμό βάσης του συστήματος, για τον εντοπισμό του ατόμου σε χερσαίο περιβάλλον. Για το σκοπό αυτό, έχουν δημιουργηθεί δύο διαφορετικά σετ δεδομένων (dataset) που εμπεριέχουν εικόνες ατόμων σε κίνδυνο τόσο σε χερσαίο όσο και σε υδάτινο περιβάλλον. Με βάση αυτά τα σετ δεδομένων πραγματοποιήθηκε η εκπαίδευση των αλγορίθμων υπολογιστικής όρασης. Επιπλέον, παρουσιάζονται αναλυτικά πειραματικά αποτελέσματα από δοκιμές του συστήματος σε πραγματικές συνθήκες σχετικά με την ακρίβεια του εντοπισμού του ανθρώπου όσο και της απελευθέρωσης του διασωστικού εξοπλισμού. Τέλος, το Κεφάλαιο 5 παρουσιάζει την ανάλυση επικινδυνότητας του προτεινόμενου συστήματος για την απαλοιφή πιθανών απειλών και κινδύνων που θα μπορούσε να ελλοχεύει η χρήση του τόσο για το υπό κίνδυνο άτομο όσο και για τις διασωστικές ομάδες. Σκοπός της ανάλυσης αυτής είναι α) να εισάγει την ιδέα της ανάλυσης του συστήματος διαιρώντας το σε επιμέρους φάσεις λειτουργίας και β) να παρουσιάσει τα πλεονεκτήματα της εφαρμογής αναλύσεων επικινδυνότητας που βασίζονται στη συστημική θεωρία και συγκεκριμένα της STPA, στον τομέα των αποστολών έρευνας και διάσωσης με χρήση UAVs. Η παρούσα διατριβή ολοκληρώνεται στο Κεφάλαιο 6 όπου παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και τα ευρήματα της υλοποίησης του συστήματος καθώς και η πιθανή μελλοντική δουλειά . Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ρομποτικής και Αυτοματισμού του Τμήματος Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης του Δ.Π.Θ. που ειδικεύεται σε τέτοιου είδους υλοποιήσεις συστημάτων.