Robust UAV trajectory tracking formation control

Abstract

A crescente utilização de veículos aéreos não tripulados (VANTs) em diversas tarefas cotidianas, tais como vigilância, mapeamento e entregas, tem motivado desenvolvimento de múltiplos VANTs, que oferecem vantagens como a redução de tempo e custo. Esse aumento da utilização tornou as tecnologias associadas ao desenvolvimento de sistemas com múltiplos VANTs uma área emergente de pesquisa. Esta tese apresenta o desenvolvimento de sistemas de controle robustos para a formação de múltiplos VANTs, garantindo robustez diante de falhas de comunicação e perturbações externas. Dois problemas principais são tratados. O primeiro envolve manter múltiplos VANTs em uma formação invariante no tempo, enquanto que o VANTs rastreiam trajetórias que podem ser variantes ou invariantes no tempo, definidas por um computador central. Adicionalmente, deve-se garantir que o sistema permaneça na formação desejada mesmo em situações de falhas de comunicação com o sistema central. O segundo problema está relacionado a manutenção da formação na persença de distrúbios externos. Para resolver os primeiro problema, duas metodologias são propostas: o líder-seguidor e o consenso. O líder-seguidor é escolhido para que os VANTs rastreiem a trajetória de um líder virtual, enquanto que o consenso é utilizado para que o VANTs mantenham comunicação entre si. Desta forma, se houver perdas de comunicação com o líder virtual, os VANTs se mantêm na formação por meio do consenso. O objetivo do primeiro problema é manter a formação mesmo em situações de falha de comunicação com o líder virtual. A solução deste problema inclui uma lei de controle composta por uma matriz de ganhos proporcional e derivativo, tanto para o rastreamento do líder quanto para o consenso entre os VANTs. As falhas de comunicação são modeladas como incertezas paramétricas, e a síntese do controlador, baseia-se em condições de desigualdades matriciais lineares (do inglês - LMIs), garantido a estabilidade dos sistema. No entanto, está solução se torna conservadora uma vez que utiliza apenas uma função de Lyapunov para todas as possíveis situações. Para mitigar esse conservadorismo, propõe-se uma segunda solução, onde a função de Lyapunov é dependente de parâmetros, ou seja, encontra-se uma função de Lyapunov para cada cenário possível. Os resultados de ambas soluções são analisados no software MATLAB/Simulink considerando VANTs com rotores inclináveis. Em uma aplicação prática, é desejável que o sistema de controle seja discreto. Assim, também propõe-se um sistema de controle discreto, com uma matriz de ganhos proporcional e derivativo tanto para o rastreamento quanto para o consenso, e modelando as falhas de comunicação como incertezas paramétricas. Os resultados são analisados no software Robot Operating System (ROS) e Gazebo, utilizando VANTs com rotores fixos, e comparando com os controladores contínuos. O objetivo do segundo problema é manter a formação mesmo em presença de perturbações externas. Para a solução desse problema, é proposto um controlador proporcional-derivativo com base na técnica de controle robusta H8. Por fim, os sistemas de controle propostos atenderam aos requisitos desejados, embora alguns apresentassem melhor desempenho, avaliado por métricas como erro raiz quadrático médio (RMS, do inglês Root Mean Square), custo computacional e esforço de controle.

Abstract: The increasing use of unmanned aerial vehicles (UAVs) in various everyday tasks, such as surveillance, mapping, and deliveries, has motivated the development of multiple UAV systems, offering advantages like time and cost reduction. This growing utilization has made the technologies associated with the development of multi-UAV systems an emerging area of research. This thesis presents the development of robust control systems for the formation of multiple UAVs, ensuring robustness against communication failures and external disturbances. Two main problems are addressed. The first involves maintaining multiple UAVs in a time-invariant formation while the UAVs track trajectories that can be either time-varying or time-invariant, defined by a central computer. Additionally, the system must remain in the desired formation even in situations of communication failures with the central system. The second problem relates to maintaining the formation in the presence of external disturbances. To solve the first problem, two methodologies are proposed: leader-follower and consensus. The leader-follower approach is chosen so that the UAVs can track the trajectory of a virtual leader, while consensus is used to ensure that the UAVs communicate with each other. In this way, if there are communication losses with the virtual leader, the UAVs maintain the formation through consensus. The goal of the first problem is to maintain the formation even in situations of communication failure with the virtual leader. The solution to this problem includes a control law composed of a proportional and derivative gain matrix, both for leader tracking and for consensus among the UAVs. Communication failures are modeled as parametric uncertainties, and the controller's synthesis is based on linear matrix inequality (LMI) conditions, ensuring the system's stability. However, this solution becomes conservative as it uses only one Lyapunov function for all possible situations. To mitigate this conservatism, a second solution is proposed, where the Lyapunov function is parameter-dependent, meaning a Lyapunov function is found for each possible scenario. The results of both solutions are analyzed using MATLAB/Simulink software, considering UAVs with tiltable rotors. In a practical application, it is desirable for the control system to be discrete. Thus, a discrete control system is also proposed, with a proportional and derivative gain matrix for both tracking and consensus, modeling communication failures as parametric uncertainties. The results are analyzed using the Robot Operating System (ROS) and Gazebo software, utilizing UAVs with fixed rotors and comparing them with continuous controllers. The goal of the second problem is to maintain the formation even in the presence of external disturbances. To solve this problem, a proportional-derivative controller is proposed based on the robust H8 control technique. The results are analyzed using MATLAB/Simulink with a group of UAVs with tiltable rotors. Finally, the proposed control systems met the desired requirements, although some performed better, evaluated by metrics such as RMS error, computational cost, and control effort.