Show simple item record

Development of model predictive control schemes for unmanned aerial vehicles using neural networks

dc.contributor.advisorAlexandridis, Alex
dc.contributor.authorΠαπαδόπουλος, Σπυρίδων
dc.date.accessioned2024-10-17T10:43:43Z
dc.date.issued2024-10-09
dc.identifier.urihttps://polynoe.lib.uniwa.gr/xmlui/handle/11400/7775
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.26265/polynoe-7607
dc.description.abstractThis 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.el
dc.format.extent103el
dc.language.isoenel
dc.publisherΠανεπιστήμιο Δυτικής Αττικήςel
dc.rightsΑναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 4.0 Διεθνές*
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.el*
dc.subjectAttitude controlel
dc.subjectFuzzy meansel
dc.subjectModel predictive controlel
dc.subjectNeural networksel
dc.subjectNonlinear systemsel
dc.subjectQuadcopterel
dc.subjectRadial basis functionel
dc.subjectTrajectory trackingel
dc.subjectUnmanned aerial vehicleel
dc.subjectΈλεγχος προσανατολισμούel
dc.subjectΑλγόριθμος ασαφών μέσωνel
dc.subjectΠροβλεπτικός έλεγχοςel
dc.subjectΝευρωνικά δίκτυαel
dc.subjectΜη γραμμικά συστήματαel
dc.subjectΤετρακόπτεροel
dc.subjectΔίκτυα ακτινικής συνάρτησης βάσηςel
dc.subjectΠαρακολούθηση τροχιάςel
dc.subjectΜη επανδρωμένα ιπτάμενα οχήματαel
dc.titleDevelopment of model predictive control schemes for unmanned aerial vehicles using neural networksel
dc.title.alternativeΑνάπτυξη σχημάτων προβλεπτικού ελέγχου για μη-επανδρωμένα εναέρια οχήματα με χρήση νευρωνικών δικτύωνel
dc.typeΔιπλωματική εργασίαel
dc.contributor.committeeKandris, Dionisis
dc.contributor.committeePiromalis, Dimitrios
dc.contributor.facultyΣχολή Μηχανικώνel
dc.contributor.departmentΤμήμα Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικώνel
dc.description.abstracttranslatedH 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.el
dcterms.embargoTerms12 monthsel
dcterms.embargoLiftDate2025-10-17T10:43:43Z


Files in this item

Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 4.0 Διεθνές
Except where otherwise noted, this item's license is described as
Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 4.0 Διεθνές