ΕΛΕΓΧΟ ΤΝΕΡΓΑΖΟΜΕΝΩΝ ΡΟΜΠΟΣΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΣΩΝ

ΕΛΕΓΧΟ ΤΝΕΡΓΑΖΟΜΕΝΩΝ ΡΟΜΠΟΣΙΚΩΝ ΟΧΗΜΑΣΩΝ ΕΚΣΕΣΑΜΕΝΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΣΗ ΔΙΔΑΚΣΟΡΙΚΗ ΔΙΑΣΡΙΒΗ ΣΟΤ ΚΩΝΣΑΝΣΙΝΟΤ ΑΛΕΞΗ ΔΙΠΛΩΜΑΣΟΤΧΟΤ ΗΛΕΚΣΡΟΛΟΓΟΤ ΜΗΧΑΝΙΚΟΤ & ΣΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΩΝ ΣΜΗΜΑ ΗΛΕΚΣΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΣΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΠΟΛΟΓΙΣΩΝ ΑΡΙΘΜΟ ΔΙΑΣΡΙΒΗ: 277 ΙΟΤΛΙΟ 211

2 Πιστοποιείται ότι η παρούσα διδακτορική διατριβή με θέμα: Έλεγχος Συνεργαζομενων Ρομποτικών Οχημάτων του Κωνσταντίνου Αλέξη του Εμμανουήλ, Διπλωματούχου Ηλεκτρολόγου Μηχανικού & Τεχνολογίας Υπολογιστών, παρουσιάσθηκε δημοσίως στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών την 6 η Ιουλίου 211 και εξετάσθηκε και εγκρίθηκε από την ακόλουθη Εξεταστική Επιτροπή: 1. Νικόλαος Ασπράγκαθος, Καθηγητής του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών & Αεροναυπηγών Μηχανικών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών 2. Κίμων Βαλαβάνης, Καθηγητής του Electrical and Computer Engineering Department, University of Denver, Μέλος της Συμβουλευτικής Επιτροπής 3.Ευάγγελος Δερματάς, Αναπληρωτής Καθηγητής του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών 4. Κωνσταντίνος Ευσταθίου, Επίκουρος Καθηγητής του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος της Συμβουλευτικής Επιτροπής 5. Σταύρος Κουμπιάς, Καθηγητής του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών 6. Σταμάτιος Μάνεσης, Αναπληρωτής Καθηγητής του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών 7. Αντώνιος Τζες, Καθηγητής του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος της Συμβουλευτικής Επιτροπής Πάτρα, Ιούλιος 211 Ο Πρόεδρος του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών και Επιβλέπων Καθηγητής: Αντώνιος Τζες, Καθηγητής

Έλεγχος Συνεργαζόμενων Ρομποτικών Οχημάτων Copyright 211 Κώστας Αλέξης

1 Περίληψη Έλεγχος Συνεργαζόμενων Ρομποτικών Οχημάτων Κώστας Αλέξης Διδάκτωρ Ηλεκτρολόγος Μηχανικός & Τεχνολογίας Υπολογιστών Πανεπιστημίου Πατρών Καθ. Αντώνιος Τζες, Η συγκεκριμένη διατριβή καταπιάνεται με τα προβλήματα της σχεδίασης και ελέγχου μικρού μεγέθους συνεργαζόμενων μη επανδρωμένων αεροσκαφών με ιδιαίτερη έμφαση στα συστήματα Κάθετης Απογείωσης και Προσγείωσης (Vertical Take Off/Landing - VTOL) και ιδιαίτερα στη συστήματα τύπου Quadrotor. Μια νέα προσέγγιση για την μοντελοποίηση της δυναμικής του συστήματος η οποία βασίζεται στη θεωρία των κατά τμήματα αφινικών (Piecewise Affine) συστημάτων προτείνεται. Παράλληλα αναπτύσσεται μια νέα πειραματική πλατφόρμα αεροσκάφους τύπουquadrotor η οποία και χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερες ικανότητες ενσωματωμένης υπολογιστικής ισχύος, αυτόνομη εκτίμηση του συνολικού διανύσματος κατάστασης, πολλαπλή συνδεσιμότητα και αποδοτικό σύστημα πρόωσης. Στη βάση αυτής της μεθόδου μοντελοποίησης της δυναμικής του συστήματος σχεδιάσθηκαν και επιβαιώθηκαν ελεγκτές προβλεπτικού ελέγχου βασισμένου στο μοντέλο και πολύ-παραμετρικά υπολογιζόμενοι ελεγκτές για την πλήρη αυτόνομη πτήση του αεροσκάφους τόσο στην άπνοια όσο και υπό την επίδραση ισχυρών διαταραχών ανέμου. Η μοντελοποίηση με βάση τη θεωρία των Piecewise Affine συστημάτων καλύπτει ένα μεγάλο μέρος του φακέλου πτήσης του αεροσκάφους καθότι συνυπολογίζει μέρος της μη-γραμμικότητας του συστήματος ενώ παράλληλα δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν τα ιδιαίτερα ανεπτυγμένα εργαλεία του βέλτιστου, προβλεπτικού και διακοπτικού ελέγχου. Παράλληλα η επίδραση των μη-μοντελοποιημένων αεροδυναμικών φαινομένων μελετάται με στόχο την βελτίωση της απόδοσης του συστήματος. Κατά τη διάρκεια εκπόνησης αυτής της διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκαν διάφορες εκδόσεις της πειραματικής πλατφόρμας. Η τελική πλατφόρμα quadrotor ελικοπτέρου UPATcopter ενσωματώνει μικρουπολογιστικό σύστημα πολύ υψηλών δυνατοτήτων, περιλαμβάνει ειδικά συστήματα εκτίμησης κατάστασης τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους μέρος των

2 οποίων αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής και ιδιαίτερα αποδοτικό και αναγνωρισμένο ως προς τη δυναμική του συμπεριφορά υποσύστημα πρόωσης. Πρόκειται για ένα ολοκληρωμένο αυτόνομο σύστημα. Τρεις διαφορετικοί νόμοι ελέγχου αναπτύχθηκαν και δοκιμάστηκαν πειραματικά. Αρχικά δοκιμάσθηκε ένας βέλτιστος ελεγκτής περιορισμένου χρόνου υπό περιορισμούς (Constrained Finite Time Optimal Control), ένας ελεγκτής οποίος υπολογίζεται πολύ-παραμετρικά και δίνει τη δυνατότητα να συνυπολογισθούν οι περιορισμοί εισόδου και κατάστασης του συστήματος. Ο συγκεκριμένος ελεγκτής υπολογίσθηκε με βάση μια οικογένεια Piecewise Affine αναπαραστάσεων του υποσυστήματος προσανατολισμού και δοκιμάσθηκε επιτυγχάνοντας αποδοτικό έλεγχο του προσανατολισμού του σκάφους. Ακολούθως δοκιμάσθηκε ένας διακοπτικός προβλεπτικός ελεγκτής (Switching Model Predictive Control) βασισμένος στην Piecewise Affine μοντελοποίηση του συστήματος ο οποίος και επίσης έδινε τη δυνατότητα συνυπολογισμού των φυσικών περιορισμών του συστήματος, του ρόλου των διαταραχών ενώ παράλληλα μπορούσε να εκτελείται στις αναγκαίες συχνότητες ανανέωσης μια ιδιότητα που έλειπε από την προηγούμενη σχεδίαση. Με τη χρήση του συγκεκριμένου ελεγκτή επιτεύχθηκε έλεγχος τόσο του προσανατολισμού όσο και της θέσης του αεροσκάφους τόσο σε ελεύθερη πτήση όσο και υπό την επίδραση ισχυρών διαταραχών ανέμου. Επιπρόσθετα, δοκιμάσθηκε ένας ελεγκτής προσανατολισμού βασισμένος στην κλασσική θεωρία αναλογικού ολοκληρωτικού παραγωγικού (PID) ελέγχου επαυξημένος όμως με ανάδραση γωνιακής επιτάχυνσης του συστήματος σε συνδυασμό με έναν κλασσικό PID ελεγκτή για τον έλεγχο θέσης του συστήματος. Τέλος, η έρευνα που εκπονήθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής επεκτάθηκε και στις στρατηγικές συνεργασίας μη επανδρωμένων αεροσκαφών προτείνοντας δύο αλγόριθμους. Συγκεκριμένα προτάθηκε αλγόριθμος για την αντιμετώπιση των προβλημάτων επιθεώρησης δασικής πυρκαγιάς ο οποίος βασίστηκε στη θεωρία των χωρικών ραντεβού μεταξύ των αεροσκαφών και αλγόριθμος εξερεύνησης μιας άγνωστης περιοχής από ομάδα ετερογενών αεροσκαφών ο οποίος και βασίστηκε στη θεωρία λειτουργίας των δημοπρασιών.

i Η διδακτορική αυτή διατριβή αφιερώνεται στην οικογένεια μου, την μητέρα μου, τον πατέρα μου και τον αδερφό για την σταθερη στήριξη και αγαπη τους

ii Περιεχόμενα Κατάλογος σχημάτων Κατάλογος πινάκων iii iv 1 Εισαγωγή 1 1.1 Επιστημονικά και Κοινωνικοοικονομικά Κίνητρα.................. 1 1.1.1 Επιστημονικά Κίνητρα............................ 3 1.1.2 Κοινωνικοοικονομικά Κίνητρα........................ 4 1.2 State of the Art.................................... 5 1.3 Συνεισφορές της Διατριβής.............................. 7 1.3.1 Μοντελοποίηση............................... 7 1.3.2 Σχεδιασμός του Συστήματος Quadrotor................... 9 1.3.3 Έλεγχος.................................... 9 1.3.4 Συνεργασία Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών............... 11 2 Μοντελοποίηση της Δυναμικής του Quadrotor 12 2.1 Υποθέσεις....................................... 12 2.2 Μοντελοποίηση Newton-Euler............................ 14 2.2.1 Γενικές Δυνάμεις και Ροπές......................... 16 2.2.2 Εξισώσεις Κίνησης.............................. 16 2.3 Piecewise Affine Μοντελοποίηση.......................... 19 2.3.1 Attitude Dynamics.............................. 21 2.3.2 Translational Dynamics........................... 23 2.4 Quadrotor Simulink Model.............................. 24 2.5 Συμπεράσματα.................................... 24 3 Σχεδιασμός του Quadrotor 26 3.1 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας........................... 26 3.1.1 ARM MCU.................................. 27 3.1.2 pitx MCU.................................. 27 3.2 Υποσύστημα Αισθητήρων.............................. 28

iii 3.2.1 Attitude Heading Reference System..................... 3 3.2.2 Xsens MTi-G AHRS............................. 3 3.2.3 Εκτίμηση Χωρικής Κίνησης......................... 31 3.3 Υποσύστημα Επικοινωνιών.............................. 34 3.3.1 Τηλεχειρισμός................................ 35 3.3.2 Τηλεμετρία.................................. 35 3.3.3 Wi-Fi..................................... 35 3.4 Υποσύστημα Πρόωσης................................ 36 3.5 UPATcopter(s)..................................... 37 3.6 Συμπεράσματα.................................... 43 4 Έλεγχος Quadrotor Ελικοπτέρου 44 4.1 Constrained Finite Time Optimal Control...................... 44 4.1.1 Πειραματικά Αποτελέσματα......................... 47 4.2 Model Predictive Control............................... 55 4.2.1 Πειραματικές Μελέτες............................ 6 4.3 PID/PIDD Control.................................. 67 4.3.1 Attitude Controller.............................. 69 4.3.2 Ελεγκτές Θέσης και Προσανατολισμού................... 71 4.3.3 Πειραματικά Αποτελέσματα......................... 72 4.4 Συμπεράσματα.................................... 72 5 Συνεργασία Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών 76 5.1 Συνεργασία UAVs για Επιθεώρηση Μετώπου Δασικής Πυρκαγιάς......... 77 5.1.1 Στοιχεία Θεωρίας Συνεργασίας....................... 78 5.1.2 Επιθεώρηση Δασικής Πυρκαγιάς...................... 78 5.1.3 Συνεργαζόμενα Quadrotor για Επιθεώρηση Πυρκαγιάς βάσει Πολλαπλών Ραντεβού................................... 79 5.1.4 Μελέτες Προσομοίωσης........................... 82 5.2 Συνεργασία UAV για Εξερεύνηση Περιοχής και Αναγνώριση Στόχων....... 86 5.2.1 Συνεργασία Ετερογενών UAV για Εξερεύνηση Περιοχής και Αναγνώριση Στόχων.................................... 87 5.2.2 Μελέτες Προσομοίωσης........................... 89 5.3 Συμπεράσματα.................................... 93 6 Γενικά Συμπεράσματα και Μελλοντική Εργασία 94 6.1 Συμπεράσματα.................................... 94 6.1.1 Μοντελοποίηση............................... 95 6.1.2 Σχεδιασμός του Quadrotor Ελικοπτέρου................... 95 6.1.3 Έλεγχος.................................... 96 6.1.4 Συνεργασία Ομάδας............................. 96

iv 6.2 Μελλοντική Εργασία................................. 97 7 Curriculum Vitæ 98 Βιβλιογραφία 12

v Κατάλογος σχημάτων 1.1 Παλαιότερες και σύγχρονες σχεδιάσεις UAVs.................... 2 1.2 Πιθανές εφαρμογές των UAVs............................ 4 1.3 Αγορά UAVs για πολιτικές και πολεμικές εφαρμογές στην Ευρώπη......... 5 1.4 Εκτιμώμενη πρόοδος στην αγορά UAVs....................... 6 1.5 Δραστηριότητα στην περιοχη των UAV τα επόμενα λίγα χρόνια.......... 6 1.6 State of the Art προγράμματα για UAV........................ 8 1.7 UPATcopter: The experimental quadrotor prototype developed in University of Patras 1 2.1 Αναπαράσταση των βασικών αρχών κίνησης του quadrotor............. 13 2.2 Βασικά Συστήματα Συντεταγμένων......................... 13 2.3 Μείωση της επαγόμενης ροή αέρα λόγω της μείωσης του rotor tip vortex φαινομένου κατα τη διάρκεια προσέγγισης στο έδαφος.................... 16 2.4 Υποσυστήματα αποσυζευγμένης δυναμικής για τους 6 βαθμούς ελευθερίας του quadrotor....................................... 21 2.5 UPATcopter Simulink model............................. 25 3.1 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου Luminary Micro ARM7................. 27 3.2 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου pitx........................... 29 3.3 Xsens Mti-G IMU................................... 31 3.4 Σύστημα Optic Flow βασισμένο σε αισθητήρα Mouse................ 32 3.5 Σύστημα Optic Flow αποτελούμενο από το Tam2 Vision Chip και έναν επεξεργαστή Arduino...................................... 33 3.6 Ολοκληρωμένο σύστημα εκτίμησης κατάστασης σε εσωτερικούς χώρους..... 34 3.7 RC and Joystick remote control options....................... 35 3.8 Θερμικά χαρακτηριστικά των NMOS (αριστερα), PMOS (δεξιά) του BL CTRL ESC 37 3.9 Συνδυασμός επιλεγμένων Electronic Speed Controller, Κινητήρα and Προπέλας.. 37 3.1 Πειραματική Διάταξη για την μέτρηση των χαρακτηριστικών του συστήματος πρόωσης.......................................... 38 3.11 Χαρακτηριστικές πειραματικές καμπύλες του συστήματος πρόωσης........ 38 3.12 Αρχική Σχεδίαση 3D Cad............................... 39 3.13 Πρωταρχικό πρωτότυπο............................... 4

vi 3.14 Δεύτερη εκδοση του UPATcopter........................... 4 3.15 Τελική Σχεδίαση του UPATcopter.......................... 41 3.16 Βασικό hardware διάγραμμα του UPATcopter.................... 41 3.17 Φωτογραφίες από τη διαδικασία ανάπτυξης και προγραμματισμού του UPATcopter 42 3.18 UPATcopter σε πτήση στάσιμης αιώρησης...................... 42 4.1 Δομή του CFTOC ελέγχου προσανατολισμού του Quadrotor............ 45 4.2 CFTOC/Identification Δομή............................. 48 4.3 Πειραματική Διάταξη Ελέγχου Προσανατολισμού του Quadrotor.......... 48 4.4 Σύστημα δημιουργίας ριπών ανέμου......................... 49 4.5 Quadrotor s (regulation problem) roll, pitch, και yaw αποκρίσεις for s = 1(κόκκινο), 3(πράσινο) και 5(μπλε), στην απουσία ανέμων.................... 5 4.6 Quadrotor s (regulation problem) roll, pitch, και yaw αποκρίσεις for s = 1(κόκκινο), 3(πράσινο) και 5(μπλε), υπό την επίδραση διαταραχής ανέμου........... 51 4.7 Εξισορρόπηση προσανατολισμού για 5 PWA χωρίς(μπλε) και με περιορισμούς(κόκκινο) 52 4.8 Εξισορρόπηση προσανατολισμού για 5 PWA χωρίς(μπλε) και με περιορισμούς(κόκκινο) υπό την επίδραση διαταραχών............................ 53 4.9 Γωνίες πρόσπτωσης της επιβαλλόμενης διαταραχής ανέμου............. 54 4.1 Απόκριση Roll για διάφορες γωνίες πρόσπτωσης της διαταραχής ανέμου..... 54 4.11 Απόκριση Pitch για διάφορες γωνίες πρόσπτωσης της διαταραχής ανέμου..... 55 4.12 Απόκριση Yaw για διάφορες γωνίες πρόσπτωσης της διαταραχής ανέμου..... 56 4.13 Δομικό Διάγραμμα Model Predictive Ελέγχου.................... 56 4.14 Έλεγχος διατήρησης θέσης χωρίς την επίδραση διαταραχών: μέγιστη τιμή σφάλματος.15cm..................................... 62 4.15 Αποκρίσεις των χωρικών κινήσεων κατά την πτήση διατήρησης θέσης....... 62 4.16 Έλεγχος διατήρησης θέσης υπό την επίδραση διαταραχών ανέμου......... 63 4.17 Αποκρίσεις των χωρικών κινήσεων κατά τον έλεγχο διατήρησης θέσης υπό την επίδραση διαταραχών ανέμου............................. 64 4.18 Απόκριση παρακολούθησης προκαθορισμένης τροχιάς............... 64 4.19 Αποκρίσεις χωρικών κινήσεων κατά την πτήση παρακολούθησης προκαθορισμένης τροχιάς...................................... 65 4.2 Απόκριση hovering ελέγχου χωρίς την επίδραση διαταραχών ανέμου........ 66 4.21 Απόκριση hovering υπό την επίδραση διαταραχών ανέμου............. 66 4.22 Έλεγχος προσανατολισμού από ακραία αρχική συνθήκη.............. 67 4.23 Ρυθμοί μεταβολής του προσανατολισμού του quadrotor κατά τον έλεγχο προσανατολισμού από ακραία αρχική συνθήκη........................ 68 4.24 Σύνδεση της Δυναμικής του Quadrotor και της δυναμικής του συστήματος πρόωσης 68 4.25 PID/PIDD Έλεγχος Θέσης/Προσανατολισμού.................... 69 4.26 Βηματικές αποκρίσεις και διαγράμματα Bode προ και μετα την επαύξηση με ανάδραση γωνιακής επιτάχυνσης............................. 7 4.27 Αποκρίσεις για διαφορετικά κέρδη (αριστερά) και βέλτιστη απόκριση (δεξιά)... 71

vii 4.28 Κάτοψη της απόκρισης διατήρησης θέσηςαπόκριση διατήρησης θέσης...... 73 4.29 Αποκρίσεις κατά τη διάρκεια ελέγχου διατήρησης θέσης.............. 74 4.3 Απόκριση σταθεροποίησης προσανατολισμού.................... 74 4.31 Απόκριση σταθεροποίησης προσανατολισμού από ακραία αρχική συνθήκη.... 75 5.1 Συνεργασία UAV για κρίσιμες αποστολές...................... 77 5.2 Συνεργασία UAVs βάσει αλγορίθμων συναντίληψης................ 78 5.3 Εξέλιξη φωτιάς σε διάστημα 6 ωρών......................... 79 5.4 Συνθήκες ανέμου κατα την διάρκεια εξέλιξης της φωτιάς.............. 8 5.5 Επιθεώρηση πυρκαγιάς από quadrotor........................ 8 5.6 Εξέλιξη των ραντεβού για την επιθεώρηση πυρκαγιάς από Quadrotors (καταστάσεις (a) ως (c)).................................... 83 5.7 Εξέλιξη των ραντεβού για την επιθεώρηση πυρκαγιάς από Quadrotors (καταστάσεις (d) ως (f))..................................... 84 5.8 Εξέλιξη των ραντεβού για την επιθεώρηση πυρκαγιάς από Quadrotors (καταστάσεις (g) ως (h)).................................... 85 5.9 Εξέλιξη των ραντεβού για την επιθεώρηση πυρκαγιάς από Quadrotors (καταστάσεις (i) ως (j))..................................... 85 5.1 Επιθεώρηση μετώπου που έχει σχήμα Folium.................... 86 5.11 Αναπαράσταση της στρατηγικής συνεργασίας ομάδας UAV για εξερεύνηση.... 87 5.12 Omnidirectional κάμερα πλοήγησης και κάμερα εξερεύνησης............ 88 5.13 Προσέγγιση συνεργασίας με βάση τη λειτουργία μιας αγοράς............ 9 5.14 Εξερεύνηση Περιοχης - τελικό στιγμιότυπο (a) προσομοίωσης........... 91 5.15 Εξερεύνηση Περιοχης - τελικό στιγμιότυπο (b) προσομοίωσης........... 92 5.16 Εξερεύνηση Περιοχής - τελικό στιγμιότυπο (c) προσομοίωσης........... 93

viii Κατάλογος πινάκων 2.1 Rolling Ροπές..................................... 17 2.2 Pitching Ροπές.................................... 17 2.3 Yawing Moments................................... 17 2.4 Δυνάμεις κατά μήκος του E z άξονα......................... 17 2.5 Δυνάμεις κατά μήκος του E x άξονα......................... 18 2.6 Δυνάμεις κατά μήκος του E y άξονα......................... 18 2.7 Παράμετροι του Quadrotor.............................. 2 3.1 Χαρακτηριστικά Luminary Micro.......................... 28 3.2 Χαρακτηριστικά pitx MCU............................. 29 3.3 Χαρακτηριστικά XSens MTi-G AHRS........................ 3 3.4 Χαρακτηριστικά του Robbe 2827-35 dc brushless motor.............. 36 3.5 Παραμετροι Μοντέλου του Quadrotor........................ 39 4.1 Πειραματικά χαρακτηριστικά του UPATcopter.................... 49 4.2 No. PWA - Σημείων Γραμμικοποίησης vs. Περιοριστικών Συναρτήσεων...... 5 4.3 Μέσο Τετραγωνικό Σφάλμα για τις αποκρίσεις χωρίς και υπό την επίδραση ριπών ανέμου......................................... 51 4.4 Μέσο Τετραγωνικό Σφάλμα για τις αποκρίσεις με και χωρίς περιορισμούς..... 52 4.5 PWA Περιοχές Λειτουργίας και Σημεία Γραμμικοποίησης (Γ 1)......... 61 5.1 Παράμετροι Προσομοίωσης για το Σενάριο (a)................... 9 5.2 Παράμετροι Προσομοίωσης για το Σενάριο (b)................... 91 5.3 Παράμετροι Προσομοίωσης για το Σενάριο (c)................... 92

1 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Επιστημονικά και Κοινωνικοοικονομικά Κίνητρα Τα Μη-Επανδρωμένα Αεροσκάφη (Unmanned Aerial Vehicles UAVs) έχουν εμφανισθεί ήδη από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα. Τα πρωταρχικά πρωτότυπα τέτοιων συστημάτων αναπτύχθηκαν για πολεμικές επιχειρήσεις κατά τη διάρκεια του Α και του Β Παγκοσμίου Πολέμου, οπότε και επιχειρούσαν ως τηλεχειριζόμενα αεροσκάφη (Remotely Piloted Vehicles RPVs). Η τομή στην ανάπτυξη των UAVs εμφανίζεται στο δεύτερο μισό του 2ου αιώνα, μιας και η ανάγκη να προστατευθούν τα πληρώματα σε συνδυασμό με την ανάπτυξη της τεχνολογίας έδωσε τη δυνατότητα ανάπτυξης χαμηλού κόστους αλλά αποδοτικών μη επανδρωμένων συστημάτων. Οι σημαντικές εξελίξεις στο πεδίο της μηχανικής, της αεροναυπηγικής, της επιστήμης των υπολογιστών, της τεχνολογίας των αισθητήρων καθώς και του αυτομάτου ελέγχου έδωσαν τη δυνατότητα ανάπτυξης διαρκώς πληρέστερων πρωτοτύπων εναέριων μηχανών ικανών να εκτελέσουν ένα ευρύ σύνολο αποστολών όπως: α) επιθεώρηση δασικών πυρκαγιών, β) επισκόπηση κρίσιμων καταστάσεων (γραμμές υψηλής τάσης, κατεστραμμένα πυρηνικά εργοστάσια ή μολυσμένα κτήρια), γ) αγροτικές υπηρεσίες, δ) εναέρια φωτογράφιση και χαρτογράφηση περιοχών, ε) επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης. Φυσικά η πολυπλοκότητα και η διαφορετικότητα των αποστολών που τα UAVs καλούνται να φέρουν σε πέρας έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη πολλών διαφορετικών τύπων συστημάτων. Ο πιο βασικός διαχωρισμός ορίζει δύο ομάδες συστημάτων: τα αεροσκάφη σταθερών πτερυγίων (Fixed-Wing Designs) και τα αεροσκάφη Κάθετης Απογείωσης/Προσγείωσης ή περιστρεφόμενης πτέρυγας (Vertical Take Off/Landing VTOL, Rotorcrafts). Στο Σχήμα 1.1 παρουσιάζεται ένα UAV που αναπτύχθηκε το 1948 ως κινητός στόχος (Ryan

2 Firebee) ενώ δεξιά του απεικονίζεται το Global Hawk, ένα σύγχρονο UAV. (a) (b) Σχήμα 1.1: Παλαιότερες και σύγχρονες σχεδιάσεις UAVs Το τέλος του 2ου αιώνα αποτέλεσε καθοριστικό σημείο καμπής για την ιστορία της ρομποτικής καθότι τα ρομποτικά συστήματα εισχώρησαν πλέον πλατιά σε πολιτικές εφαρμογές. Η αρχή του 21ου αιώνα δείχνει να οδηγεί σε ένα αποκορύφωμα της χρήσης ρομποτικών συστημάτων και κατά αυτή την έννοια πραγματοποιούνται σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες ώστε αυτά τα συστήματα να είναι αυτόνομα και να είναι ικανά να εκτελέσουν πολύπλοκες αποστολές, προσφέροντας εν τέλει χρήσιμο έργο στην ανθρώπινη κοινωνία. Στις μέρες μας, η σχεδίαση των UAVs δίνει έμφαση στην ανάπτυξη μικρών συστημάτων και σχεδιάσεων ικανών να αναπτυχθούν σε περιβάλλοντα πόλης και να πείσουν την μαζική αγορά για τη χρησιμότητα τους. Μια από τις πιο πετυχημένες σχεδιάσεις που τα τελευταία λίγα χρόνια βρίσκεται στην αιχμή της επιστημονικής έρευνας είναι το ελικόπτερο τύπου Quadrotor. Ως τύπος το Quadrotor προτάθηκε ιστορικά από τον De Bothezat, η σχεδίαση του οποίου εμφανίζεται στο κάτω μέρος του Σχήματος 1.1 αντιπαραβαλλόμενη με μια σύγχρονη σχεδίαση UAV Quadrotor της εταιρίας Microdrones GMBH. Εντούτοις παρά το γεγονός ότι η σχεδίαση αυτή είναι σχετικά παλαιά δεν κατάφερε να πετάξει σταθερά στην εποχή της και να πείσει τις αγορές με αποτέλεσμα να έχει δει σημαντική επιτυχία μόλις στις μέρες μας στα πλαίσια πολύ μικρότερου μεγέθους μη επανδρωμένων συστημάτων. Σήμερα η ανάπτυξη αποδοτικών νό-

3 μων ελέγχου, αλγορίθμων σχεδιασμού πτήσης και εκτίμησης περιβάλλοντος δίνουν τη δυνατότητα ανάπτυξης πραγματικά αυτόνομων UAVs υψηλών αποδόσεων. Ένα από τα πλέον βασικά στοιχεία στη σχεδίαση αυτών των συστημάτων είναι ο βαθμός αυτονομίας που επιτυγχάνουν και κατά αυτή την έννοια πραγματοποιούνται σημαντικές ερευνητικές προσπάθειες στα πεδία των υλικών, των πρωτότυπων σχεδιάσεων, των αποδοτικών νόμων ελέγχου και των αισθητήρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τέτοια συστήματα. Σήμερα μπορούμε με ασφάλεια να εκτιμήσουμε ότι η ανάπτυξη σε αυτή την περιοχή θα οδηγήσει πολύ γρήγορα στην μαζική τους ενσωμάτωση σε ένα πολύ ευρύ σύνολο πολιτικών εφαρμογών. 1.1.1 Επιστημονικά Κίνητρα Η ιδέα της πτήσης πάντοτε διέγειρε τον ανθρώπινο νου. Από τις μέρες του Da Vinci και των αδελφών Wright, η ανθρωπότητα έχει πλέον βιώσει μια τεράστια επιστημονική και παραγωγική επανάσταση η οποία σε μεγάλο βαθμό οφείλεται και στην ανάπτυξη εναέριων μηχανών. Κάποιες από τις πιο σημαντικές στιγμές, κάποια από τα πιο σημαντικά επιτεύγματα (αλλά και μερικές από τις μεγαλύτερες καταστροφές) της ανθρωπότητας, όπως η διηπειρωτική μεταφορά αγαθών και προσώπων, οι Παγκόσμιοι Πόλεμοι και η εξερεύνηση του διαστήματος, είναι συνυφασμένα με την πτήση. Παρόλαυτα, ήταν μόλις τα τελευταία λίγα χρονιά που οι τάσεις στην έρευνα και παραγωγή στράφηκαν στην μη-επανδρωμένη πτήση. Η κατηγορία των μικρών και πολύ μικρών αεροσκαφών και ιδιαίτερα τα ελικόπτερα παρουσιάζουν ένα σύνολο ιδιαίτερων επιστημονικών και μηχανικών προβλημάτων που θα πρέπει να επιλυθούν ώστε να μπορεί να επιτευχθεί αυτόνομη αποδοτική πτήση αυτών των συστημάτων. Το γεγονός αυτό θέτει πολύ αυστηρούς περιορισμούς ως προς τα συστήματα εκτίμησης θέσης, την απόδοση του νόμου ελέγχου και τον ρυθμό ανανέωσης αυτού. Εντούτοις, οι χαμηλού κόστους αισθητήρες παρουσιάζουν θόρυβο καθώς και φαινόμενο ολίσθησης της μέτρησης με αποτέλεσμα τα συστήματα εκτίμησης κατάστασης αντικειμενικά να μην έχουν την επιθυμητή ακρίβεια. Το γεγονός αυτό καθιστά το πρόβλημα του ελέγχου ακόμα πιο πολύπλοκο. Οι παραπάνω δυσκολίες συναντιούνται με το γεγονός ότι τα συστήματα πρόωσης που χρησιμοποιούνται δυνητικά έχουν περιορισμούς δυναμικού εύρους, ταχύτητας απόκρισης, μη-γραμμικής συμπεριφοράς και σχετικά υψηλής κατανάλωσης ισχύος. Παράλληλα το ζήτημα της ενσωματωμένης υπολογιστικής ισχύος είναι άλλο ένα πρόβλημα που πρέπει να επιλυθεί καθότι τα συστήματα αυτά εκτελούν ταυτόχρονα αλγορίθμους εκτίμησης κατάστασης, ελέγχου πτήσης και αντίληψης του περιβάλλοντος.

4 Ως εκ τούτου, το πρόβλημα της ηλεκτρομηχανολογικής σχεδίασης και ελέγχου μικρών UAVs καθίσταται ακόμα πιο πολύπλοκο. Γίνεται δε ιδιαίτερα πιο απαιτητικό αν ληφθούν υπόψη οι επιπτώσεις των ατμοσφαιρικών διαταραχών όπως και απαιτεί η προοπτική χρήσης αυτών των συστημάτων σε πραγματικές εφαρμογές. Τέλος η συνεργασία ομάδων τέτοιων συστημάτων αποτελεί ένα σημαντικό νέο ερευνητικό πεδίο με το οποίο και καταπιάστηκε αυτή η διατριβή. Εν τέλει η συγκεκριμένη διατριβή δίνει έμφαση στις ανοιχτές επιστημονικές προκλήσεις της σχεδίασης και του αυτόματου ελέγχου ενός προηγμένου quadrotor ελικοπτέρου ικανού να πλοηγηθεί αυτόνομα κάτω από την επίδραση ισχυρών διαταραχών ανέμου και με εκ φύσεως σεβασμό στους περιορισμούς του συστήματος. Παράλληλα προτείνονται αλγόριθμοι συνεργασίας ομάδων τέτοιων συστημάτων. 1.1.2 Κοινωνικοοικονομικά Κίνητρα Η έρευνα αυτή στοχεύει στην ανάπτυξη καινοτόμων έξυπνων και πολυλειτουργικων αυτόνομων συνεργαζόμενων μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων και ειδικά quadrotors τα οποία θα είναι σε θέση να χρησιμοποιηθούν σε σημαντικές πραγματικές εφαρμογές. Παράδειγματα πιθανών εφαρμογών θα μπορούσαν να είναι: α) κάλυψη και αναγνώριση περιοχής, β) αναγνώριση στόχων, γ) διάσωση και εποπτεία και πολλά άλλα, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.2. Σχήμα 1.2: Πιθανές εφαρμογές των UAVs

5 Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η έρευνα στα μη επανδρωμένα αεροσκάφη έχει σημαντικό οικονομικό αντίκτυπο. Οι τρέχουσες εκτιμήσεις και προβλέψεις ως προς τον Ευρωπαϊκό χώρο καταδεικνύουν ότι βρισκόμαστε στην αρχή μιας εκρηκτικής διαδικασίας που θα φέρει αυτά τα συστήματα σε μια πλειάδα πολιτικών εφαρμογών όπως υποδεικνύεται στο Σχήμα 1.3. Συγκεκριμένες εκτιμήσεις δείχνουν ότι ενδεχόμενα η αγορά πολιτικών εφαρμογών για μη επανδρωμένα αεροσκάφη ξεπεράσει και αυτή των στρατιωτικών εφαρμογών τουλάχιστον στον Ευρωπαϊκό χώρο όπως υποδηλώνεται στο Σχήμα 1.4. Σχήμα 1.3: Αγορά UAVs για πολιτικές και πολεμικές εφαρμογές στην Ευρώπη Συνοπτικά (όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.5), ήδη φαίνεται ότι η πλειοψηφία των μη επανδρωμένων αεροσκαφών θα είναι μεσαίου και μικρού μεγέθους όπως αυτό που αναπτύσσεται στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Είναι επίσης αλήθεια ότι η προμήθεια των εν λόγω συστημάτων θα πρέπει να διευκολυνθεί μέσα από την ανάπτυξη οικονομικών συστημάτων που θα έχουν πολύ μικρές απαιτήσεις συντήρησης και ιδιαίτερα εύκολη διαδικασία εκμάθησης 1.2 State of the Art Η περίοδος αυτή χαρακτηρίζεται από μια εκθετική αύξηση στις καινοτομίες στον τομέα της UAVs. Σημαντικά ερευνητικά προγράμματα σε όλο τον κόσμο επικεντρώνονται στην αντιμετώπιση των προβλημάτων του ελέγχου, της αυτόνομης πλοήγησης και της συνεργασίας των UAVs. Είτε με τη χρήση εμπορικών quadrotors και δίνοντας έμφαση στους τομείς της συνεργασίας (sfly,

6 Σχήμα 1.4: Εκτιμώμενη πρόοδος στην αγορά UAVs Σχήμα 1.5: Δραστηριότητα στην περιοχη των UAV τα επόμενα λίγα χρόνια

7 Flying Arena, MAST) ή δίνοντας έμφαση στον τομέα του σχεδιασμού και του ελέγχου του εναέριου οχήματος (PIXHAWK, STARMAC, Maple, DelFly, Hummingbird) η έρευνα σε αυτόν τον περιοχή έχει κερδίσει την προσοχή των πλέον επιτυχημένων και αναγνωρισμένου κύρους ερευνητικών κέντρων σε όλο τον κόσμο. Στο παρακάτω Σχήμα παρουσιάζονται μερικά από τα ενδιαφέροντα προγράμματα(σύμφωνα με τη γνώμη του συγγραφέα). 1.3 Συνεισφορές της Διατριβής Η συγκεκριμένη διατριβή επικεντρώνεται στην περιοχή της σχεδίασης και αυτομάτου ελέγχου συνεργαζόμενων μη επανδρωμένων αεροσκαφών και ειδικότερα quadrotor ελικοπτέρων. Οι συνεισφορές της διατριβής αφορούν κύρια τους παρακάτω άξονες: Νέα μοντελοποίησης, της δυναμικής χωρικών και περιστροφικών κινήσεων του quadrotor. Νέα σχεδίαση πειραματικής πλατφόρμας η οποία δίνει έμφαση στην ισχυρή υπολογιστική δύναμη, στα συστήματα αυτόνομης εκτίμησης κατάστασης και της σχετικά χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Νέες προσεγγίσεις έλεγχου κάνοντας χρήση της θεωρίας online και offline υπολογιζόμενων προβλεπτικών νόμων ελέγχου βασισμένων στο μοντέλο (Switching Model Predictive Control, Constrained Finite Time Optimal Control) καθώς και κλασσικές PID τεχνικές επαυξημένες με ανάδραση γωνιακής επιτάχυνσης. Συνεργασία πολλαπλών UAV : δύο αλγορίθμων συνεργασίας ομάδας αεροσκαφών οι οποίοι και αντιμετωπίζουν τα προβλήμα της συνεργατικής επιθεώρησης δασικής πυρκαγιάς και της αναγνώρισης περιοχής. 1.3.1 Μοντελοποίηση Το Quadrortor είναι ένα σύστημα με ισχυρά μη-γραμμική συμπεριφορά, πολύ απότομη δυναμική και ένα πολύπλοκο σύνολο αεροδυναμικών φαινομένων που επηρεάζουν την πτήση του. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής αναπτύσσεται και προτείνεται μια νέα προσέγγιση για τη μοντελοποίηση της δυναμικής αυτών των συστημάτων βασισμένο στην θεωρία των Piecewise Affine συστημάτων. Η προτεινόμενη μοντελοποίηση προσεγγίζει την μη-γραμμική δυναμική του quadrotor μέσα από μια οικογένεια γραμμικοποιημένων συστημάτων και κατά αυτή την έννοια καλύπτει ένα

8 Project Leading Research Group Picture sfly ETH Zurich Flying Arena ETH Zurich MAST UPENN STARMAC Stanford PIXHAWK ETH Zurich Maple U. Maryland DelFly II TU Delft Hummingbird Autonomous Helicopter Testbed Draganfly DARPA U. Denver GATECH Σχήμα 1.6: State of the Art προγράμματα για UAV

9 μεγαλύτερο μέρος του φακέλου πτήσης σε σύγκριση με τις κλασσικές γραμμικές τεχνικές ενώ παράλληλα δίνει πρόσβαση στα πολύ ισχυρά εργαλεία του γραμμικού ελέγχου. Επιπρόσθετα το μοντέλο αυτό συνυπολογίζει και μοντελοποιεί την επίδραση των ατμοσφαιρικών διαταραχών στις καταστάσεις του συστήματος. Ένα μοντέλο CAD καθώς και ένα Simulink block αναπτύχθηκαν ώστε να υπάρχει ένα σχετικά ακριβές μοντέλο το οποίο θα συνδράμει στην διαδικασία της σχεδίασης των νόμων ελέγχου. 1.3.2 Σχεδιασμός του Συστήματος Quadrotor Μια πειραματική πλατφόρμα τύπου quadrotor (UPATcopter) αναπτύχθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Το UPATcopter είναι ένα προηγμένο μικρού μεγέθους αυτόνομο μη επανδρωμένο αεροσκάφος. Η σχεδίαση του δίνει έμφαση στις περιοχές: α) της μεγάλης ενσωματωμένης υπολογιστικής ισχύος, β) της σχεδίασης και ανάπτυξης αυτόνομου συστήματος αισθητήρων για την πλήρη εκτίμηση κατάστασης, γ) των εκτεταμένων δυνατοτήτων συνδεσιμότητας, και δ) της απόδοσης του συστήματος πρόωσης και της σχετικά χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Η τελική έκδοση του UPATcopter κάνει χρήση μιας ιδιαίτερα προηγμένης μικροεπεξεργαστικής μονάδας τ(κεντρική Μονάδα Ελέγχου) μια προσέγγιση που δίνει τη δυνατότητα υλοποίησης πολύπλοκων προηγμένων νόμων ελέγχου, αλγορίθμων συνεργασίας και αλγορίθμων επεξεργασίας εικόνας κάνοντας χρήση πολλαπλών διαφορετικών περιβάλλοντος προγραμματισμού. Το ανεπτυγμένο σύστημα αισθητήρων κάνει χρήση αδρανειακών αισθητήρων, sonars, GPS (για εξωτερικές πτήσεις) και συστημάτων όρασης (για εσωτερική πτήση). Μέσα από την ανάπτυξη μη γραμμικών Εκτεταμένων Φίλτρων Kalman κατέστει δυνατή η αποδοτική αυτόνομη εκτίμηση κατάστασης τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους. Ως προς τις δυνατότητες επικοινωνίες, το πρωτότυπο αεροσκάφος μπορεί να κάνει χρήση των πλέον διαδεδομένων ΙΕΕΕ πρωτοκόλλων όπως τα 82.15.4 και 82.11. Το σύστημα πρόωσης ρυθμίστηκε ώστε να αποκτηθεί η μέγιστη δυνατή απόδοση βασιζόμενοι σε χαμηλού κόστους dc-brushless κινητήρες. Η κατασκευή του όλου σκάφους αποτελείται αποκλειστικά από ανθρακονήματα και ανωδιομένο αλουμίνιο, ενώ μια όψη του συστήματος φαίνεται στο Σχήμα 1.7. 1.3.3 Έλεγχος Τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις ελέγχου σχεδιάσθηκαν και δοκιμάσθηκαν στα πλαίσια αυτής της έρευνας. Αυτές υπήρξαν οι παρακάτω: