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Verteilte nichtlineare modellprädiktive Regelung von unbemannten Luftfahrzeug-Schwärmen

Strobel, Armin :
Verteilte nichtlineare modellprädiktive Regelung von unbemannten Luftfahrzeug-Schwärmen.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Verteilte nichtlineare modellprädiktive Regelung von unbemannten Luftfahrzeug-Schwärmen
Language: German
Abstract:

Diese Arbeit basiert auf Forschungsergebnissen aus meiner Zeit am Institut für Flugsysteme und Regelungstechnik an der Technischen Universität Darmstadt. Um einen Schwarm von Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) sinnvoll einsetzen zu können, muss es dem Bediener (Systemmanager) oder einer kleinen Gruppe möglich sein, eine größere Anzahl an UAVs zu koordinieren. Hierfür benötigen die UAVs ein Mindestmaß an Autonomie, deren spezifische Gestaltung Gegenstand vorliegender Arbeit ist.

Die in dieser Arbeit beschriebene Regelung ist das Resultat aus einer systematischen Untersuchung bekannter Ansätze und den Anforderungen an einen Schwarm. Sie basiert auf einer modellprädiktiven Regelung. Die Bewertung der generierten Trajektorie erfolgt in diesem Fall durch multiple Potenzialfelder und nicht wie üblich durch eine Referenztrajektorie. Vorteile bestehen hinsichtlich der Möglichkeit, komplexere Vorgaben als bei einer Referenztrajektorie zu implementieren. Die Optimierung bei dieser Art der modellprädiktiven Regelung erfolgt durch einen evolutionären Algorithmus, welcher neben anderen Vorteilen auch möglicherweise vorhandene lokale Minima vermeiden kann.

Die Regelung wird theoretisch, analytisch und mittels Simulation auf ihre Eignung zur Koordination eines Schwarms untersucht. Unter Berücksichtigung bekannter Forschungsergebnisse und systematischer Schlussfolgerungen werden die nötigen Anforderungen ermittelt. Analytisch und durch Simulation wird die Wahrscheinlichkeit eines Versagens der Regelung, unter extremen Bedingungen, für grundlegende Funktionen des Schwarms bestimmt. In mehreren Szenarien werden unterschiedliche Missionen, für einzelne UAVs sowie für einen Schwarm von UAVs, untersucht. Weiter werden Simulationen der Szenarien mit Varianten der Regelung, welche unterschiedliche Optimierungsverfahren nutzen, durchgeführt. Abschließend werden die Ergebnisse auf die Robustheit bezüglich der Variation von Parametern und Modellen untersucht, um einen Eindruck zu gewinnen, in wieweit die Performanz abhängig von einer optimalen Parametrierung ist.

Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine Regelung, die vorausschauend agiert und Zielkonflikte (mit Randbedingung und anderen Zielen) intelligent löst. Unter Einbezug von unterschiedlichen Zielsetzungen und variierenden Randbedingungen, ermöglicht die Regelung effektive Lösungen der Erfüllung einer Mission. Dies ist eine neue und effektive Methode, um einzelne UAVs oder einen Schwarm von UAVs zu regeln.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis is based on research done at the Institute of Flight Mechanics and Automatic Control at the technical University of Darmstadt. To be able to efficiently use a swarm of Unmanned Aerial vehicles (UAVS) one or a little group of system managers have to be able to coordinate a large number of UAVs (agents). Therefore, the UAVs need a minimum autonomy which is the topic of this thesis. This thesis describs coordination (swarm tactics) of UAVs as the result of a systematically analysys of existing methods and requirements for a swarm. The swarm tactics are based on the idea of Model Predictive Control (MPC). The usually use reference trajectory and fitness function in a conventional is replaced by multiple exponential fields. The advantage of this combination is that more complex objectives can be defined than by a simple reference trajectory. The optimization in this combination model of predictive control and potential fields is done by an evolutionary algorithm, which has other advantages that it can help avoid possible existing local minimums. The developed swarm tactics are theoretically, analytically and via simulation analyzed for its performance. Based on current research and systematic conclusions the necessary requirements are defined. The swarm tactics was evaluated regarding the probability of failure analytically and in simulation in extreme situations for basic functions. In multiple scenarios different missions for single UAVs as well as for a swarm of UAVs are evaluated. Different variants which use different optimization algorithms of the introduced swarm tactics are analyzed in different scenarios. Finally the robustness regarding parameter variations are analyzed to evaluate how much the performance is dependent on the optimal parameter selection. The result of this work are swarm tactics whose acts predictively solve conflicts of objectives (and requirements) intelligent. By using different objectives and requirements these swarm tactics allows an efficient accomplishing of missions. This is a new and efficient method to coordinate single UAVs or swarms of UAVs.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Flight Systems and Automatic Control (FSR)
DFG-Graduiertenkollegs > Research Training Group 1362 Cooperative, Adaptive and Responsive Monitoring in Mixed Environments
Date Deposited: 01 Dec 2016 10:53
Last Modified: 18 Dec 2017 14:48
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-57379
Referees: Klingauf, Prof. Dr. Uwe and Adamy, Prof. Dr. Jürgen
Refereed: 24 February 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5737
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