Development of a distributed model predictive control framework for autonomous unmanned aerial vehicle swarms
Ανάπτυξη ενός πλαισίου κατανεμημένου προβλεπτικού ελέγχου για σμήνη αυτόνομων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων
Διπλωματική εργασία
Author
Βαβελίδου, Δέσποινα - Παναγιώτα
Date
2023-10-11Advisor
Alexandridis, AlexKeywords
Agent swarms ; Cascaded design ; Collision avoidance ; Inter-agent communication ; Obstacle avoidance ; Distributed model predictive control ; DMPC ; Model predictive control ; MPC ; Quadcopter ; Trajectory tracking ; Unmanned aerial vehicle ; UAV ; Αλυσιδωτή σχεδίαση ; Αποφυγή εμποδίων ; Αποφυγή σύγκρουσης ; Επικοινωνία μεταξύ πρακτόρων ; Κατανεμημένος προβλεπτικός έλεγχος μοντέλου ; Μη επανδρωμένα ιπτάμενα οχήματα ; Παρακολούθηση πηγαίας τροχιάς ; Προβλεπτικός έλεγχος μοντέλου ; Πράκτορες σμήνους ; Τετρακόπτερο ; PID controllerAbstract
Unmanned Aerial Vehicle (UAV) technology has witnessed remarkable advancements, permeating various industries. Quadcopters, a specialized type of UAV with four rotors, are at the forefront of these innovations with recent trends and future projections indicating that the utilization of multiple quadcopters, forming what it is referred to as a swarm of quadcopters, is poised for substantial growth. However, the inherently nonlinear and highly complex behavior of quadcopters introduces serious challenges in terms of efficiently controlling them, necessitating the need of developing advanced control methods and intricate frameworks, particularly when addressing the collective behavior of a swarm. In response to these challenges, this diploma thesis introduces a comprehensive Distributed Model Predictive Control (DMPC) framework, designed to enable precise trajectory tracking for a swarm of quadcopters. Building upon the initial introduction of a Model Predictive Control (MPC) scheme for addressing the trajectory tracking task of a single quadcopter, which employs MPCs and Proportional-Integral-Derivative (PID) controllers in a cascaded design, the proposed framework seamlessly scales its capabilities. Through the integration of an inter-agent communication strategy, it achieves the transition to effective, autonomous and distributed control over quadcopter swarms, even in complex scenarios such as trajectory tracking with collision avoidance and obstacle evasion. The distributed nature of the proposed approach eliminates the necessity for a central controller, thus enhancing the system’s resilience in the event of individual failures, or communication disruptions, and offers easy adaptation to various swarm sizes. Additionally, the proposed framework diverges from conventional methods by liberating the agents of the swarm from following predetermined trajectories and predefined formation strategies. Instead, it empowers agents to dynamically tailor their behavior, enabling them to closely follow real-time desired trajectories with responsive agility to unpredicted scenarios. To evaluate the efficiency and practicality of the proposed framework, simulations have been conducted for trajectory tracking, including scenarios involving suddenly appearing obstacles. The results endorse its suitability for quadcopter swarm control and illuminate its potential application across a broad spectrum of domains, where the swarm’s precision, adaptability and robustness are paramount.
Abstract
Η τεχνολογία των Μη Επανδρωμένων Εναέριων Οχημάτων (UAV) έχει γνωρίσει αξιοσημείωτες εξελίξεις, διεισδύοντας σε διάφορους κλάδους. Τα τετρακόπτερα, ένα εξειδικευμένο είδος UAV με τέσσερις ρότορες, βρίσκονται στο προσκήνιο αυτών των καινοτομιών, με τις πρόσφατες τάσεις και τις μελλοντικές προβλέψεις να δείχνουν ότι η χρήση πολλαπλών τετρακόπτερων, που σχηματίζουν αυτό που αναφέρεται ως σμήνος τετρακόπτερων, βρίσκεται σε πορεία σημαντικής ανάπτυξης. Ωστόσο, η εγγενώς μη γραμμική κι ιδιαίτερα πολύπλοκη συμπεριφορά των τετρακόπτερων εισάγει σοβαρές προκλήσεις σχετικά με τον αποτελεσματικό έλεγχό τους, γεγονός που καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη προηγμένων μεθόδων ελέγχου και πολύπλοκων πλαισίων, ιδίως όταν πρόκειται για τη συλλογική συμπεριφορά ενός σμήνους. Ως απάντηση σε αυτές τις προκλήσεις, η παρούσα διπλωματική εργασία εισάγει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο Κατανεμημένου Προβλεπτικού Ελέγχου Μοντέλου (DMPC), σχεδιασμένο για να επιτρέπει την επακριβή παρακολούθηση τροχιάς για ένα σμήνος τετρακόπτερων. Στηριζόμενο στην αρχική εισαγωγή ενός συστήματος Προβλεπτικού Ελέγχου Μοντέλου (MPC) για την αντιμετώπιση του ζητήματος της παρακολούθησης τροχιάς ενός τετρακοπτέρου, το οποίο χρησιμοποιεί MPCs και ελεγκτές Αναλογικού-Ολοκληρωτικού-Διαφορικού μέρους (PID) σε αλυσιδωτή σχεδίαση, το προτεινόμενο πλαίσιο κλιμακώνει απρόσκοπτα τις δυνατότητές του. Μέσω της ενσωμάτωσης μιας στρατηγικής για την επικοινωνία μεταξύ των πρακτόρων του σμήνους, επιτυγχάνεται η μετάβαση σε αποτελεσματικό, αυτόνομο και κατανεμημένο έλεγχο σμήνους τετρακόπτερων, ακόμα και σε περίπλοκα σενάρια όπως η παρακολούθηση τροχιάς με αποφυγή σύγκρουσης και εμποδίων. Ο κατανεμημένος χαρακτήρας της προτεινόμενης προσέγγισης εξαλείφει την ανάγκη για έναν κεντρικό ελεγκτή, ενισχύοντας έτσι την ανθεκτικότητα του συστήματος σε περίπτωση μεμονωμένων αστοχιών ή διαταραχής της επικοινωνίας και προσφέροντας εύκολη προσαρμογή σε διάφορα μεγέθη σμήνους. Επιπλέον, το προτεινόμενο πλαίσιο αποκλίνει από τις συμβατικές μεθόδους απελευθερώνοντας τους πράκτορες του σμήνους από το να ακολουθούν προκαθορισμένες τροχιές και προσχεδιασμένες στρατηγικές σχηματισμού. Αντ’ αυτού, δίνει την δυνατότητα στους πράκτορες να προσαρμόζουν δυναμικά την συμπεριφορά τους, επιτρέποντάς τους να ακολουθούν στενά τις επιθυμητές τροχιές σε πραγματικό χρόνο με ευέλικτη ανταπόκριση σε απρόβλεπτα σενάρια. Για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας και της πρακτικότητας του προτεινόμενου πλαισίου, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις για την παρακολούθηση τροχιάς, συμπεριλαμβανομένων σεναρίων που περιλαμβάνουν ξαφνικά εμφανιζόμενα εμπόδια. Τα αποτελέσματα επικυρώνουν την καταλληλότητά του για τον έλεγχο σμήνους τετρακόπτερων και φωτίζουν την δυνατότητα εφαρμογής του σε ένα ευρύ φάσμα τομέων, όπου η ακρίβεια, η προσαρμοστικότητα κι η ανθεκτικότητα του σμήνους είναι υψίστης σημασίας.