Bachelor's Thesis

Object Position Estimation from Unmanned Aerial Vehicles Using Optoelectronic Sensors

Final Thesis 1.18 MB Appendix 13.11 MB

Author of thesis: Bc. Filip Ondrejkovič

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Gábrlík, Ph.D.

Reviewer: Ing. Miloš Cihlář

Abstract:

This bachelor thesis addresses the spatial localization of objects from an unmanned aerial vehicle (UAV) using optoelectronic sensors. The objective was to design a sensor system, select suitable components, and subsequently integrate them into a single unit. A laser rangefinder (LiDAR) and a digital camera were selected for the system. Based on a market survey, a stabilizing gimbal was also chosen, although it was not part of the final integration. The theoretical part of the thesis describes the operating principles of LiDAR and mathematical models of digital camera projection and geometry, explaining their practical application in linking image data with real-world spatial coordinates. In the practical part, software for data acquisition and processing was developed within the ROS 2 framework using the Python programming language. The experimental phase included the theoretical verification of sensor specifications, camera calibration, laser beam divergence measurement, and local localization testing. Following ground testing, the integrated sensor system was successfully validated by flight tests onboard the unmanned aerial vehicle. The achieved results confirmed that the system can accurately and reliably determine the position of objects. The main contribution of this thesis is a functional solution for target localization over greater distances, thereby expanding current capabilities and serving as a comprehensive pre-prepared platform for further development and future practical deployment.

Keywords:

unmanned aerial vehicle (UAV), optoelectronic sensors, LiDAR, digital camera, sensor fusion, object localization, distance measurement, ROS 2

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student obhájil bakalářskou práci s výhradami. V rámci obhajoby dokázal přesvědčit komisi o správnosti svých postupů a navrženého řešení. V průběhu odborné rozpravy reagoval na dotazy oponenta a doplňující dotaz ohledně chyby měření vzdálenosti LiDARem. V obecné diskusi dovysvětlil, které komponenty dosadil na použitý dron a diskutoval finanční náročnost těchto řešení. Dále byl dotázán na měření vzdálenosti stereofotogrammetrií.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

prof. Ing. Roman Prokop, CSc. (předseda)
prof. Ing. Pavel Václavek, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Peter Honec, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Václav Jirsík, CSc. (člen)
doc. Ing. Václav Kaczmarczyk, Ph.D. (člen)
Ing. Stanislav Klusáček, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Gábrlík, Ph.D.

Cílem práce bylo navrhnout a implementovat řešení pro absolutní lokalizaci objektů viditelných kamerou bezpilotního letadla. Jedná se o práci s poměrně přímočarým a nepříliš složitým zadáním, které zahrnuje výběr vhodných senzorů, jejich integraci a implementaci řešení pomocí existujících metod.
Student provedl dostatečný průzkum dostupných senzorů i integrovaných řešení na trhu. Hlavní pozornost byla věnována laserovému dálkoměru, pro který student provedl poměrně kvalitní rešerši a vybral senzor splňující stanovené požadavky. Výběr kamery a objektivu byl následně omezen na zařízení dostupná v laboratořích. V této fázi práce se student rovněž seznámil s teorií nezbytnou pro implementaci.
V rámci praktické části práce byla nejprve provedena analýza parametrů snímání s ohledem na uvažovanou pracovní oblast. Následně byla senzorická data zpřístupněna v požadovaném frameworku ROS 2. Pro dálkoměr musel student implementovat vlastní ovladač, který může být využit i v budoucích projektech.
Kalibrace kamery, stanovení rozbíhavosti laserového paprsku a vzájemného zarovnání senzorů byly provedeny v laboratorních podmínkách. Mimo proces kalibrace kamery byly navrženy vlastní postupy pro získávání dat a jejich zpracování. Přestože u měření asistoval vedoucí práce, student mohl věnovat více času přípravě experimentů a získat tak promyšlenější a rozsáhlejší datasety s důvěryhodnějšími výsledky. Nicméně minimálně získaný údaj o rozbíhavosti paprsku lze považovat za přínosný.
Implementace lokalizace bodů v obraze probíhala v poměrně stísněných časových podmínkách, a algoritmy ani výsledky tak nemohly být v dostatečné míře validovány vedoucím. Schopnost lokalizace byla ověřena za použití datasetu shromážděného vedoucím. Dosažená přesnost určování prostorové polohy referenčních bodů se pohybuje spíše na horní hranici očekávaných hodnot s ohledem na použité technologie. Bylo by proto vhodné provést podrobnější analýzu potenciálních zdrojů chyb.
Z hlediska formální stránky je práce na vysoké úrovni, je přehledně strukturovaná a technicky dobře zpracovaná. Svým rozsahem dokonce přesahuje požadavky kladené na bakalářskou práci, nicméně v některých částech by bylo možné rozsah redukovat bez ztráty informační hodnoty. Úroveň gramatiky nemohla být s ohledem na jazyk práce posouzena. Práce obsahuje velké množství literárních zdrojů, což do jisté míry souvisí s provedenou rešerší, a zároveň zahrnuje dostatek odborných publikací. Student byl během semestru aktivní, svůj postup pravidelně konzultoval a připomínky průběžně zapracovával.
Student splnil všechny body zadání a prokázal schopnost samostatné práce na technických úkolech. Práci doporučuji k obhajobě a s ohledem na uvedené nedostatky ji hodnotím stupněm C, 75 bodů. Points proposed by supervisor: 75

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Miloš Cihlář

Bakalářská práce Filipa Ondrejkoviče se zabývá návrhem a ověřením senzorického systému pro určování prostorové polohy objektů z bezpilotního letadla. Zadání hodnotím jako středně obtížné.

Práce je strukturována do sedmi kapitol na přibližně 68 stranách textu, doplněných pěti přílohami. Formální úprava je celkově dobrá. Drobnou výtku mám k nestandardnímu číslování rovnic v podkapitole 2.2. Student cituje 50 zdrojů, včetně odborných monografií a recenzovaného časopiseckého příspěvku. Práci s literaturou hodnotím kladně.

Teoretická část v kapitole 2 je obsáhle zpracovaná, možná až zbytečně rozsáhlá vzhledem ke zbytku práce. Kapitola 3 obsahuje systematické srovnání sedmi laserových dálkoměrů a tří gimbalů. Výběr komponent je dostatečně odůvodněn, čímž jsou splněny první dva body zadání. Při vytváření softwaru student využil oficiální API. Místo detailního popisu, jako je nastavení portu a druhy ROS zpráv, bych ocenil komentář k nastavení snímače. Konkrétně k druhu použitého filtru, detekci více cílů (multi-target) a tomu, v jakých hladinách laser dokáže měřit. Podle tabulky 6.4 se totiž zdá, že senzor měří v nízké vzdálenosti s rozlišením 0.5 m, což při vyhodnocení, tak jak bylo provedeno, způsobuje významnou chybu. Bod 3 zadání je splněn.

Student navrhl funkční mechanické uchycení kamery a laseru, které bylo úspěšně použito při reálném experimentu, čímž je splněno zadání 4.

Student částečně provedl kalibraci kamery a LiDARu a vypočítal offset mezi oběma senzory, avšak v práci je zmíněno, že nebyla vypočítána plná transformační matice, a proto tato kalibrace není použita při výpočtu. To může způsobovat významnou systematickou chybu. Pozemní ověření lokalizačního algoritmu (kap. 6.5.2) má zásadní metodologický problém. Experiment probíhal ve vzdálenostech 1 m až 2,7 m, přičemž z naměřených dat v tabulce 6.4 se může jevit, že LiDAR kvantizuje hodnoty po 0.5 m, což tvoří dominantní příspěvek k chybě. Komentář k tomuto chybí. Výsledky v tabulce 6.7 navíc postrádají znaménka u referenčních hodnot X a Y, takže nelze ověřit správnost kvadrantového přiřazení. Výsledky letového testování dosahují horizontální přesnosti v řádu jednotek metrů. Chybí však diskuse o vlivu zvlnění terénu na přesnost lokalizace. Celkově je vyhodnocení slabší částí práce. V příloze E sice student uvádí výsledky měření všech bodů, ale zasloužily by si větší pozornost v hlavní části textu.
Všechny body zadání byly splněny.

Práce svědčí o bakalářských schopnostech studenta. Celkové hodnocení C / 70 bodů. Topics for thesis defence:
  1. U senzoru GRF-500 uvádíte detekci až 5 samostatných cílů současně. Co je tím myšleno?
  2. Z tabulky 6.4 vyplývá, že LiDAR GRF-500 vykazuje naměřené hodnoty v krocích 0,5 m. Je toto chování hardwarovým limitem senzoru, nebo důsledkem jeho konfigurace, a bylo by možné dosáhnout jemnějšího rozlišení?
Points proposed by reviewer: 70

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová