Development of model predictive control schemes for unmanned aerial vehicles using neural networks
Ανάπτυξη σχημάτων προβλεπτικού ελέγχου για μη-επανδρωμένα εναέρια οχήματα με χρήση νευρωνικών δικτύων
Διπλωματική εργασία
Συγγραφέας
Παπαδόπουλος, Σπυρίδων
Ημερομηνία
2024-10-09Επιβλέπων
Alexandridis, AlexΛέξεις-κλειδιά
Attitude control ; Fuzzy means ; Model predictive control ; Neural networks ; Nonlinear systems ; Quadcopter ; Radial basis function ; Trajectory tracking ; Unmanned aerial vehicle ; Έλεγχος προσανατολισμού ; Αλγόριθμος ασαφών μέσων ; Προβλεπτικός έλεγχος ; Νευρωνικά δίκτυα ; Μη γραμμικά συστήματα ; Τετρακόπτερο ; Δίκτυα ακτινικής συνάρτησης βάσης ; Παρακολούθηση τροχιάς ; Μη επανδρωμένα ιπτάμενα οχήματαΠερίληψη
This thesis is focused on developing a data-driven nonlinear Model Predictive Control (MPC) scheme for controlling a quadcopter’s attitude dynamics. Quadcopter vehicles constitute a specific type of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) with high flexibility and rapid deployment that have gained significant traction in the industry over the past decade. The novel MPC controller, developed in this thesis, leverages Radial Basis Function (RBF) neural networks to model the orientation dynamics, which exhibit nonlinear behavior that traditional linear methodologies ignore. The RBF network is utilized for system identification, in order to create more precise predictive models that accurately capture the system’s orientation behavior. In addition, to train the neural networks, the Fuzzy Means (FM) learning algorithm was employed to determine the RBF centers. These models were then integrated into the MPC framework to improve control performance, robustness and adaptability. Extensive simulations were conducted to evaluate the ability of the nonlinear MPC which was based on purely data-driven models, to efficiently control a highly nonlinear system. The results from an angle-regulating scenario demonstrated the improved performance of the proposed scheme for controlling the system’s behavior compared to linear MPC schemes, underscoring the potential of RBF neural networks in advancing UAV autonomous tasks and control. Furthermore, this thesis provides a comprehensive comparison between the MPC control scheme and the traditional Proportional-Integral-Derivative (PID) control scheme for a demanding trajectory-tracking task. Based on simulation results, the optimal control MPC scheme outperformed the classic PID control architecture, highlighting its advantages in driving complex multivariate nonlinear systems along a reference trajectory.
Περίληψη
H παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ενός βασισμένου-σε-δεδομένα μη-γραμμικού σχήματος προβλεπτικού ελέγχου (MPC) για τον έλεγχο του προσανατολισμού σε τετρακόπτερα οχήματα. Τα τετρακόπτερα αποτελούν έναν ειδικό τύπο μη-επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) με μεγάλη ευελιξία και ταχεία ανάπτυξη προσελκύοντας τόσο το ενδιαφέρον της ακαδημαϊκής κοινότητας, όσο και της βιομηχανίας την τελευταία δεκαετία. Ο καινοτόμος ελεγκτής MPC που αναπτύχθηκε στην παρούσα έρευνα χρησιμοποιεί νευρωνικά δίκτυα ακτινικής συνάρτησης βάσης (RBF) για τη μοντελοποίηση της δυναμικής του προσανατολισμού, η οποία παρουσιάζει έντονα μη-γραμμική συμπεριφορά, καθιστώντας τα γραμμικά μοντέλα ανεπαρκή για την επιτυχή μοντελοποίησή της. Για την εκπαίδευση των νευρωνικών δικτύων χρησιμοποιείται ο αλγόριθμος μάθησης Fuzzy Means (FM), ώστε να βρεθούν τα κέντρα των δικτύων RBF. Στη συνέχεια, τα μοντέλα αυτά ενσωματώνονται στο σχήμα ελέγχου MPC βελτιώνοντας τις επιδόσεις και την ευρωστία και παρέχοντας προσαρμοστικότητα. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες προσομοιώσεις για να αξιολογηθεί η δυνατότητα του μη-γραμμικού και βασισμένου-σε-δεδομένα MPC να ελέγξει επιτυχώς ένα έντονα μη-γραμμικό σύστημα. Τα αποτελέσματα από ένα σενάριο παρακολούθησης επιθυμητών γωνιών κατέδειξαν την βελτιωμένη επίδοση του προτεινόμενου σχήματος ελέγχου συγκριτικά με γραμμικούς ελεγκτές MPC για την εκτίμηση και τον έλεγχο της συμπεριφοράς του συστήματος, αποδεικνύοντας έτσι την δυναμική που έχουν τα δίκτυα RBF για την μοντελοποίηση και τον έλεγχο συστημάτων UAV. Ακόμη, η παρούσα έρευνα παρέχει μια εκτεταμένη σύγκριση ενός ελεγκτή πτήσης με σχήμα MPC, έναντι ενός σχήματος ελεγκτών PID, χρησιμοποιώντας ένα απαιτητικό σενάριο παρακολούθησης τροχιάς. Βάσει των αποτελεσμάτων προσομοίωσης, το σχήμα προβλεπτικού ελέγχου είχε πολύ καλύτερα αποτελέσματα συγκριτικά με τους απλούς-κλασικούς PID, κάνοντας φανερά τα πλεονεκτήματα του προτεινόμενου αλγορίθμου ελέγχου MPC για παρακολούθηση τροχιάς πολύπλοκων, πολυμεταβλητών μη-γραμμικών συστημάτων όπως το τετρακόπτερο.