Control of cooperative unmanned aerial vehicles

Abstract

This thesis addresses the problems of design and control of small cooperative unmanned autonomous quadrotor aerial vehicles. A new approach for the modeling of the system’s dynamics using linearized Piecewise Affine Models, is proposed. The Piecewise Affine dynamic-models cover a large part of the quadrotor’s flight envelope while also taking into account the additive effects of environmental disturbances. The effects of aerodynamic forces and moments were also examined. A small quadrotor is designed and developed that emphasizes in the areas of increased on-board computational capabilities, state estimation and modular connectivity. Based on the translational and rotational system’s dynamics: a) a switching model predictive controller, b) an explicitly solved constrained finite time optimal control strategy, and c) a cascade control scheme comprised of classical Proportional Integral Derivative control scheme augmented with angular acceleration feedback, were designed and experimentally tested in order to achieve trajectory tracking under the presence of wind-gusts. The efficiency of the proposed control methods was verified through extended experimental studies. The final quadrotor design utilizes a powerful control unit, a sensor system that provides state estimation based on inertial sensors, ultrasound sonars, GPS and vision chips, and an efficient actuating system. The research effort extended in the field of unmanned aerial vehicles cooperation. Cooperation strategies were proposed in order to address the problems of: a) Forest Fire Monitoring and b) Unknown Area Exploration and Target Acquisition. The Forest Fire Monitoring algorithm is formulated based on consensus systems theory formulated as a spatiotemporal rendezvous problem in between the quadrotors. The Area Exploration and Target Acquisition algorithm is formulated based on market-based approaches.

Η συγκεκριμένη διατριβή καταπιάνεται με τα προβλήματα της σχεδίασης και ελέγχου μικρού μεγέθους συνεργαζόμενων μη επανδρωμένων αεροσκαφών με έμφαση στα συστήματα Κάθετης Απογείωσης και Προσγείωσης και ιδιαίτερα στα συστήματα τύπου Quadrotor. Μια νέα προσέγγιση για την μοντελοποίηση της δυναμικής του συστήματος, η οποία βασίζεται στη θεωρία των Piecewise Affine συστημάτων προτείνεται: Η μοντελοποίηση με βάση τη θεωρία των Piecewise Affine συστημάτων καλύπτει ένα μεγάλο μέρος του φακέλου πτήσης του αεροσκάφους καθότι συνυπολογίζει μέρος της μη γραμμικότητας του συστήματος ενώ παράλληλα δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν τα ιδιαίτερα ανεπτυγμένα εργαλεία του γραμμικού ελέγχου. Αναπτύσσεται νέα πειραματική πλατφόρμα αεροσκάφους τύπου quadrotor η οποία χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερες ικανότητες υπολογιστικής ισχύος, αυτόνομη εκτίμηση κατάστασης, πολλαπλή συνδεσιμότητα και αποδοτικό σύστημα πρόωσης. Η τελική πλατφόρμα quadrotor ελικοπτέρου UPATcopter ενσωματώνει μικρουπολογιστικό σύστημα υψηλών δυνατοτήτων, ειδικά συστήματα εκτίμησης κατάστασης τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους μέρος των οποίων αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής και αποδοτικό υποσύστημα πρόωσης. Τρεις διαφορετικοί νόμοι ελέγχου αναπτύχθηκαν και δοκιμάστηκαν πειραματικά. Αρχικά δοκιμάσθηκε ένας Constrained Finite Time Optimal Controller, ο οποίος υπολογίζεται πολύ παραμετρικά και συνυπολογίζει την επίδραση των περιορισμών εισόδου και κατάστασης. Ο συγκεκριμένος ελεγκτής υπολογίσθηκε με βάση μια οικογένεια Piecewise Affine αναπαραστάσεων του υποσυστήματος προσανατολισμού και δοκιμάσθηκε επιτυγχάνοντας αποδοτικό έλεγχο του προσανατολισμού του σκάφους. Ακολούθως δοκιμάσθηκε ένας Switching Model Predictive Control βασισμένος στην Piecewise Affine μοντελοποίηση του συστήματος ο οποίος επίσης συνυπολογίζει την επίδραση των περιορισμών του συστήματος και του ρόλου των διαταραχών. Με τη χρήση αυτού του ελεγκτή επιτεύχθηκε έλεγχος προσανατολισμού και θέσης του αεροσκάφους τόσο σε άπνοια όσο και υπό την επίδραση ισχυρών διαταραχών ανέμου. Επιπρόσθετα, δοκιμάσθηκε ελεγκτής βασισμένος στη θεωρία PID ελέγχου επαυξημένος με ανάδραση γωνιακής επιτάχυνσης του συστήματος. Τέλος, η έρευνα επεκτάθηκε και στις στρατηγικές συνεργασίας μη επανδρωμένων αεροσκαφών προτείνοντας δύο αλγορίθμους. Συγκεκριμένα προτάθηκε αλγόριθμος για την αντιμετώπιση των προβλημάτων επιθεώρησης δασικής πυρκαγιάς και αλγόριθμος εξερεύνησης μιας άγνωστης περιοχής από ομάδα ετερογενών αεροσκαφών.