Estratégias de guiagem e cooperação de robôs aéreos sujeitos a restrições nas entradas e/ou nos estados

• Main Author: Tales Argolo Jesus
• Other Authors: Luciano Cunha de Araujo Pimenta
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Minas Gerais 2013
• Online Access: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9GAHBW

=== In this thesis the problem of multiagent systems coordination with emphasis on fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) systems is addressed. Two descentralized coordination strategies are proposed. In the first strategy the task to be accomplished is divided in three stages: (i) each UAV has to track a circle parallel to plane xy in a given altitude (different altitudes for different UAVs); (ii) the UAVs must distribute themselves in such a way that their projection onto plane xy are evenly spaced around a circle; (iii) each UAV converge to the same altitude to track the same circle. The main contribution of this work is in the mathematical proofs for the proposed strategy for a given UAV model. Minimum and maximum limits in the forward speed command, maximum limit in the absolute value of the yaw rate, maximum limit in the absolute value of the altitude speed, second-order dynamics, and a non-holonomic constraint are considered. Stability and collision avoidance guarantees throughout all the task accomplishment are provided, including the stage transitions, without violating the constraints. Then, a control law inspired in the artifical vector field based approach developed in the first stage of the first strategy is proposed. Such a design takes into account the presence of model uncertainty in the task of making an UAV track a circle. Mathematical guarantees that the robot is able to converge to a bounded region of known size that contains the target curve are given. In the second strategy, the problem of consensus for double-integrator dynamics with velocity constraints and constant group reference velocity is addressed. In comparison to previous works, this approach is different in three aspects: (i) the control law of an agent does not depend on the local neighbors velocities or accelerations, but only on the neighbors positions and on the own velocity; (ii) the constraints are non-symmetric; (iii) the velocity is constrained but not the acceleration. A decentralized control strategy with the neighboring topology described by an undirected connected graph is proposed. Mathematical guarantees of convergence without violating the constraints are given. Such an approach can be applied to the problem of making n VANTs, each one flying in a straight line and distributed in parallel and adjacent lanes, span a rectangular area with constant velocity and paired side by side, without violating the velocity constraints. All the results presented in this thesis are illustrated by means of numerical simulations. === Nesta tese é abordado o problema de coordenação de sistemas multiagente com ênfase em aplicações a sistemas de múltiplos Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) de asas fixas. São propostas duas estratégias de coordenação descentralizadas. Na primeira estratégia, a tarefa completa a ser realizada é dividida em três estágios: (i) cada VANT deve rastrear um círculo paralelo ao plano xy em uma dada altitude (altitudes diferentes para VANTs diferentes); (ii) os VANTs devemse distribuir de tal forma que suas projeções sobre o plano xy estejam igualmente espaçadas ao longo de um círculo; (iii) cada VANT converge para a mesma altitude a fim de rastrear o mesmo círculo. A principal contribuição desse trabalho está nas provas matemáticas da estratégia proposta para um dado modelo de VANT. Considera-se a presença de limites mínimo e máximo no comando de velocidade de translação, limite máximo no valor absoluto da velocidade angular de guinada, limite máximo no valor absoluto da taxa de variação de altitude, dinâmica de segunda ordem e uma restrição não holonômica. São apresentadas garantias de estabilidade e de evitamento de colisão durante a realização de toda a tarefa, incluindo-se as transições entre os estágios, sem violação das restrições. Em seguida, propõe-se uma lei de controle que leva em conta a presença de incertezas de modelo na tarefa de rastreamento de um círculo executada por um único VANT, tendo por inspiração a lei de controle baseada em campos vetoriais proposta no primeiro estágio da primeira estratégia. São apresentadas garantias matemáticas de que o robô aéreo é capaz de convergir para uma região limitada e de tamanho conhecido que contém o círculo alvo. Na segunda estratégia, é atacado o problema de consenso de integradores duplos com restrições de velocidade e com uma velocidade de referência de grupo constante. Em comparação com trabalhos anteriores, essa abordagem é diferente em três aspectos: (i) a lei de controle de um agente não depende das velocidades ou das acelerações dos vizinhos, mas apenas das posições dos vizinhos e da velocidade do próprio agente; (ii) as restrições não são simétricas; (iii) a velocidade é restrita, mas não a aceleração. Propõe-se uma estratégia de controle descentralizado com a topologia de vizinhos descrita por um grafo de interação não-direcionado e conectado. São apresentadas garantias matemáticas de convergência sem violação das restrições. Tal abordagem pode ser aplicada ao problema de se fazer com que n VANTs, cada um viajando em linha reta e distribuídos em faixas paralelas e adjacentes, percorram uma área retangular com velocidade constante e pareados lado a lado, sem violar as restrições de velocidade. Todos os resultados apresentados nesta tese são ilustrados por meio de simulações numéricas.