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Optimal Cooperative Control of UAVs for Dynamic Data-Driven Monitoring Tasks

Euler, Juliane :
Optimal Cooperative Control of UAVs for Dynamic Data-Driven Monitoring Tasks.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Optimal Cooperative Control of UAVs for Dynamic Data-Driven Monitoring Tasks
Language: English
Abstract:

In recent years, there has been an immense improvement of methods and technology for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). By now, a steadily growing number of affordable platforms, as well as accurate onboard sensors, are available, which enables the use of UAVs as a remote sensing tool in various monitoring, surveillance, and disaster response tasks. This thesis deals with the challenging application scenario of monitoring atmospheric dispersion processes using multiple sensor-equipped UAVs. The idea is to enable the UAVs to autonomously move through the domain such that the utility of measurements taken along the way is maximized and cooperation among the team members is exploited. A three-part solution to this problem is developed. For cooperative control of multiple vehicles, a decentralized model-predictive control approach is proposed that is based on a mixed-integer linear system description. As data-driven adaptive sensing strategy, a sequential optimum design approach for the computation of vehicle-specific sensing trajectories with maximized information value is presented. In the last step, both approaches are combined to form a decentralized dynamic data-driven cooperative feedback control scheme. During development and implementation of all parts, particular attention is paid to efficiency and adaptability in order for the proposed scheme to be applied decentralized in possibly changing heterogeneous vehicle team constellations. Though atmospheric dispersion monitoring by UAVs serves as the motivating use case throughout this thesis, the developed solution is not limited to this specific scenario. In fact, it can easily be modified to deal with other kinds of unmanned vehicles or dynamic processes, and can, therefore, be applied to many other related problem types. Applicability, versatility, and effectiveness of the approach are successfully evaluated based on physics simulations of representative multi-objective monitoring scenarios.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Forschung an verbesserten Methoden und Technologien für unbemannte Flugsysteme (engl. Unmanned Aerial Vehicles (UAVs)) hat in den letzten Jahren einen immensen Aufschwung erfahren. Die Auswahl an erschwinglichen Plattformen sowie Onboard-Sensoren mit hoher Genauigkeit wächst stetig und ermöglicht die Nutzung von UAVs für die Fernerkundung in diversen Beobachtungs- und Überwachungsaufgaben sowie in der Katastrophenhilfe. Diese Arbeit behandelt das anspruchsvolle Anwendungsszenario der Beobachtung atmosphärischer Ausbreitungsprozesse durch mehrere mit Sensoren ausgestattete UAVs. Hierbei soll ein Team autonomer UAVs sich derart durch ein Gebiet bewegen, dass die unterwegs gesammelten Messdaten von maximalem Nutzen sind und die Kooperation der Teammitglieder untereinander bestmöglich ausgenutzt wird. Die hier vorgestellte Lösung dieses Problems besteht aus drei Teilen. Für die Regelung kooperativer Mehrfahrzeugsysteme wurde ein dezentraler modell-prädiktiver Regelungsansatz entwickelt, der auf gemischt-ganzzahligen linearen Systembeschreibungen basiert. Als adaptive datengesteuerte Messstrategie werden mittels sequentieller optimaler Versuchsplanung fahrzeugspezifische Messtrajektorien mit maximalem Informationsgehalt berechnet. In einem letzten Schritt werden beide Methoden dann zu einem neuartigen dezentralen und dynamisch datengesteuerten kooperativen Regelungsansatz kombiniert. Während der Entwicklung und Implementierung aller Lösungskomponenten wurde besonderes Augenmerk auf numerische Effizienz und Anpassbarkeit gelegt, um die Anwendung des vorgestellten Ansatzes in dezentralen und sich verändernden heterogenen Fahrzeugkonstellationen zu ermöglichen. Obwohl sich der Anwendungsfall der Beobachtung atmosphärischer Ausbreitungsprozesse durch UAVs als Motivation durch die gesamte Arbeit zieht, ist die Anwendbarkeit der entwickelten Lösung nicht auf dieses spezifische Szenario beschränkt. Sie kann leicht für die Verwendung anderer Fahrzeugtypen oder die Betrachtung anderer dynamischer Prozesse angepasst werden und eignet sich dadurch für viele verschiedene verwandte Fragestellungen. Die Ergebnisse von durchgeführten Physik-Simulationen mehrerer repräsentativer multi-kriterieller Beobachtungsszenarien demonstrieren die Anwendbarkeit, Vielseitigkeit und Effektivität der entwickelten Methoden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 20 Department of Computer Science
20 Department of Computer Science > Simulation, Systems Optimization and Robotics Group
Date Deposited: 29 Jan 2018 12:47
Last Modified: 29 Jan 2018 12:47
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-71632
Referees: von Stryk, Prof. Dr. Oskar and Rocha, Prof. Dr. Rui
Refereed: 31 January 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7163
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