UAV-to-X connectivity and localization systems: design, implementation and performance evaluation

Abstract

Gli Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), noti anche come droni, stanno diventando ampiamente utilizzati in molteplici scenari, grazie ai loro vantaggi rispetto ad altri tipi di aeromobili, come ad esempio gli elicotteri. Il loro basso Costo Totale di Possesso (TCO) li rende idonei per molteplici applicazioni, tra cui la sorveglianza, le operazioni di soccorso in ambienti ostili, il monitoraggio ambientale, le ispezioni edilizie, la fotografia aerea e molto altro.

Data l'età relativamente giovane dell'industria UAV, esistono ancora diversi problemi tecnologici da risolvere ed opportunità da esplorare. In particolare, i sistemi di comunicazione e posizionamento per i droni attuali limitano significativamente le loro capacità operative, rallentando quindi la crescita di questo emergente settore di mercato.

Un elemento chiave di qualsiasi applicazione basata su droni è il sistema di comunicazione tra l’UAV e il suo pilota, che richiede un'estrema affidabilità ed efficienza. Inoltre, nelle nuove e future applicazioni che coinvolgeranno i droni, la connettività UAV-to-X giocherà un ruolo cruciale nella diffusione dei servizi su larga scala basati su UAV. In particolare, questo aspetto è cruciale per le applicazioni Beyond Visual Line of Sight (BVLOS), dove sono necessari meccanismi avanzati di controllo e comunicazione. In questi scenario infatti, l'assenza di visibilità diretta tra i droni in volo e il centro di controllo, il pilota o dispositivi intelligenti, richiede nuove soluzioni di connettività per mantenere e garantire i necessari livelli di sicurezza e qualità del canale di comunicazione.

Infine, diversi ambienti operativi richiedono tecnologie diverse anche per la localizzazione. Ad esempio, in scenari indoor, il Sistema Globale di Navigazione Satellitare (GNSS) si dimostra inefficace, introducendo dunque la necessità di sfruttare sistemi di posizionamento alternativi. Lo stesso principio si applica ai sistemi di comunicazione, poiché i droni devono connettersi a reti diverse a seconda dell’ambiente su cui operano e dei requisiti dell’applicazione.

Questa tesi di dottorato esplora diverse soluzioni per potenziare e mitigare questi aspetti critici, con l'obiettivo di fornire soluzioni innovative da integrare nei droni di domani.

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), also known as drones, are increasingly used in various scenarios, thanks to their advantages over other aircraft, such as helicopters. The significantly lower Total Cost of Ownership (TCO) has made them affordable for a wide range of applications, including surveillance, rescue operations in challenging environments, environmental monitoring, building inspections, aerial photography, and more.

Due to the relatively young age of the UAV industry, many challenges and opportunities remain to be addressed. Notably, communication and positioning systems for drones pose significant limitations on their operational capabilities, hindering the growth of this emerging sector.

A pivotal element of any drone-based application is the communication system between the UAV and its pilot, demanding constant reliability and effectiveness. Furthermore, for new drone applications and scenarios, UAV-to-X connectivity will play a vital role in the proliferation of mass services based on UAVs. This is particularly crucial for Beyond Visual Line of Sight (BVLOS) applications, where advanced control and communication mechanisms are essential. The absence of direct visibility between in-flight drones and the control center, pilot, or other UAVs and smart devices on the ground necessitates these mechanisms to maintain and ensure the required safety levels.

Different environments call for different technologies. For instance, in indoor or obstructed scenarios, the Global Navigation Satellite System (GNSS) proves ineffective, demanding alternative positioning systems. The same principle applies to communication systems, as drones must connect to diverse networks based on various quality index parameters and application requirements.

This doctoral thesis explores diverse solutions to enhance these critical aspects, with the goal of providing innovative approaches to address the limitations faced by future UAVs.