Plánování a sledování trajektorií pro bezpilotní letouny

Ing. Zdeněk BOUČEK

Doctoral thesis

Trajectory Planning and Tracking for Unmanned Aerial Vehicles

Abstract:

This thesis presents the development of a trajectory planning and tracking system for an Unmanned Aerial Vehicle (UAV). It is critical for every application that employs the fully autonomous UAV because the quality of trajectory can significantly affect the UAV mission. The system is based on two methods: a pseudospectral method (PSM) for efficient trajectory planning, and an Interpolating Control (IC) method for trajectory tracking. In the first part of this thesis, the foundations are laid out, where the behavior of UAVs is described and the methods for path planning and trajectory planning are introduced. The formulation of the trajectory planning problem as an Optimal Control Problem (OCP) and its numerical solution using PSM are emphasized. Further, the trajectory tracking problem is presented and the state-of-the-art method of Model Predictive Control (MPC) is described along with its computationally less demanding alternative IC. In the second part of the thesis, a system for adaptive PSM-based trajectory planning for UAVs is proposed that leverages the knowledge of the UAV behavior and its optimal path. A variant of IC is also proposed that can control the system along the reference trajectory. The performance of this method is compared with MPC in terms of computational time and control quality on the task of UAV trajectory tracking both in simulation and in the laboratory using a real UAV.

Abstract:

Tato práce se zabývá vývojem systému pro plánování a sledování trajektorií kvadrotorových bezpilotních letounů (UAV). Tento systém je klíčový pro jakoukoli aplikaci, která používá plně autonomní UAV, protože kvalita trajektorie může výrazně ovlivnit výsledek mise UAV. Systém je založen na dvou metodách: pseudospektrální metoda (PSM) pro efektivní plánování trajektorie a metoda interpolačního řízení (IC) pro sledování trajektorie. V první části této práce jsou položeny základy, kde je popsáno chování UAV a jsou představeny metody pro plánování cesty a trajektorie. Důraz je kladen na formulaci problému plánování trajektorie jako úlohy optimálního řízení (OCP) a jeho numerické řešení pomocí PSM. Dále je prezentován problém sledování trajektorie a je popsána state-of-the-art metoda prediktivního řízení (MPC) spolu s její výpočetně méně náročnou alternativou IC. V druhé části práce je navržen systém pro adaptivní plánování trajektorie UAV založený na PSM, který využívá znalost chování UAV a jeho optimální cesty. Je také navržena varianta IC, která dokáže řídit systém podle referenční trajektorie. Chování této metody je porovnáno s MPC z hlediska výpočetního času a kvality řízení na úloze sledování trajektorie pomocí UAV jak v simulaci, tak i v laboratoři na reálném UAV.

Keywords

bezpilotní letoun, dron, plánování trajektorie, sledování trajektorie, prediktivní řízení, interpolační řízení, optimální řízení, pseudospektrální metoda

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 4. 2024

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Doc. Ing. Ondřej Straka, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Cybernetics