A new coordination framework for multi-UAV formation control

Abstract

İnsansız Hava Araçları (İHA) son birkaç on yıl içinde çok popüler hale gelmişlerdir. Günümüzde bu araçlar, insanlar için sıkıcı, kirli ve tehlikeli sivil ve askeri uygulamalar için kullanılmaktadır. Malzeme, elektronik, sensör, motor ve pil alanlarındaki dikkat çekici gelişmeler daha dayanıklı, yetenekli, akıllı ve ucuz İHA?ların yapımını mümkün kılmıştır. Sonuç olarak, önemli derecede araştırma çabası akıllı navigasyon ve kontrol sistemlerine sahip İHA?ların tasarımına adanmıştır.Tek bir İHA'nın başarılı bir şekilde yerine getiremeyeceği uygulamalar vardır. Ancak, geometrik örüntü veya oluşum halindeki bir İHA filosu bu görevleri daha güçlü ve verimli bir şekilde gerçekleştirebilir. Bu tez çalışması quadrotor tipi İHA'ların oluşum kontrolüne imkan sağlayan yeni bir oluşum kontrol şeması üzerine odaklanmıştır. Quadrotorların koordinasyonu sanal yapı yaklaşımı ile geliştirilmektedir, koordinasyon kuvvetleri quadrotorların sanal bir düzleme dikey izdüşümleri kullanılarak tanımlanmıştır. Araçlararasında sanal düzlemde tanımlanan düzlemsel yay kuvvetleri bulunmaktadır. Bu sanal yay kuvvetleri, salınımlı hareketleri durdurması için amortisörlerle desteklenmiştir. Uçan robotların koordinasyonu düzlemsel yüzeyde başarılırken aracın yükseklik referansı koordinasyon modelinden bağımsız olarak aracın üzerinde üretilir. Bu her bir quadrotora dikey düzlemde daha fazla manevra kabiliyeti özgürlüğü eklemektedir. Quadrotorun yönelim vepozisyon kontrolü, rüzgar gibi dış bozucu etkilere karşı gürbüz oluşundan dolayı integral geribasamaklama yöntemi kullanılarak tasarlanmıştır. Çeşitli koordineli görev senaryoları sunulmuştur ve önerilen oluşum kontrol yönteminin performansı benzetim çalışmlarında üç ve beş quadrotor kullanılarak incelenmiştir. Benzetim sonuçları oldukça ümit vericidir.

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have become very popular in the last few decades. Nowadays these vehicles are used for both civilian and military applications which are dull, dirty and dangerous for humans. The remarkable advances in materials, electronics, sensors,actuators and batteries enable researchers to design more durable, capable, smart and cheaper UAVs. Consequently, a significant amount of research effort has been devoted to the design of UAVs with intelligent navigation and control systems.There are certain applications where a single UAV can not perform adequately. However, carrying out such tasks with a fleet of UAVs in some geometric pattern or formation can be more powerful and more efficient. This thesis focuses on a new coordination scheme thatenables formation control of quadrotor type UAVs. Coordination of quadrotors is achieved using a virtual structure approach where orthogonal projections of quadrotors on a virtual plane are utilized to define coordination forces. This plane implies planar springforces acting between the vehicles. Virtual springs are also augmented with dampers to suppress oscillatory motions. While the coordination among the aerial vehicles is achieved on a virtual plane, altitude control for each vehicle is designed independently.This increases maneuvering capability of each quadrotor along the vertical direction. Due to their robustness to the external disturbances such as wind gusts, integral backsteppingcontrollers are designed to control attitude and position dynamics of individual quadrotors. Several coordinated task scenarios are presented and the performance of the proposed formation control technique is assessed by several simulations where three and five quadrotors are employed. Simulation results are quite promising.