Nonlinear control of autonomous air vehicles

David Alexandre Cabecinhas

Key information

Authors:

David Alexandre Cabecinhas (David Alexandre Cabecinhas)

Supervisors:

Carlos Jorge Ferreira Silvestre (Carlos Jorge Ferreira Silvestre)

Published in

11/21/2014

Abstract

This thesis focuses on the challenges and difficulties of the autonomous control of aerial vehicles, with particular emphasis given to vertical takeoff-and-landing rotorcraft. The first key contribution of this thesis is a landmark-based controller for force and torque actuation that guarantees almost global asymptotic stability of the desired equilibrium point for a fully-actuated rigid body. The next contributions focus on designing tracking controllers for more realistic vehicle models. A trajectory tracking controller is proposed for steering a quadrotor vehicle along a time-dependent trajectory that asymptotically stabilizes the closed-loop system, even in the presence of constant force disturbances. In an effort to achieve global asymptotic stabilization, the trajectory tracking problem is relaxed and a controller to steer a quadrotor vehicle along a predefined path is presented, with a secondary control objective related to the velocity. The final main contributions include efforts to improve the autonomy of the vehicle. A hybrid robust takeoff controller for a quadrotor UAV is proposed, with the maneuver framed in a critical scenario, in presence of sloped terrains and surrounding obstacles. Finally, a cascaded architecture comprising a nonlinear attitude observer and a nonlinear controller is proposed for position and attitude stabilization of a quadrotor based on measurements from a controllable pan and tilt camera. Esta tese tem como foco o desafio de conseguir controlo autonomo de veículos aereos, motivado pelos requerimentos das aplicacoes actuais e futuras de veículos aereos nao tripulados. E prestada particular enfase ao desenho e avaliacao experimental de algoritmos de controlo que sejam simultaneamente baseados em princípios solidos de teoria de sistemas nao lineares e especificamente direccionados a aplicacoes de interesse para veículos a rotor capazes de descolagem vertical. Os problemas de controlo de movimento enderecados incluem estabilizacao, seguimento de trajectorias e seguimentos de caminhos, definidos em voo livre, e descolagem e aterragem robustos tendo em conta interacoes com o ambiente. A primeira contribuicao-chave desta tese e um controlador baseado em marcas para actuacao em forca e momento que estabiliza quase-globalmente um corpo rígido completamente actuado. O controlador e baseado nas coordenadas de posicao de uma coleccao de marcas fixa no ambiente e medidas de velocidade observadas do veículo. As contribuições seguintes focam-se no desenho de controladores para modelos de veículos mais realistas. Um controlador de seguimento de trajectoria e proposto para guiar um veículo quadrirotor segundo uma trajectoria na presenca de perturbacoes constantes em força e assegurando que a actuacao e limitada. Num esforço para conseguir estabilidade global, o problema de seguimento de trajectoria e relaxado para um problema de seguimento de caminho para um veículo quadrirotor, com um objectivo secundário relacionado com a velocidade. A solucao proposta garante, em malha fechada, convergencia global do erro de seguimento de caminho para zero, na presenca de perturbacoes constantes em forca e assegura que que a actuacao e limitada como funcao do erro de posicao. As restantes contribuicoes-chave sao esforços para melhorar a autonomia do veículo e incluem o desenho de um controlador híbrido robusto para manobras de descolagem e aterragem e de um controlador para voo livre baseado em retroacao da saída. A manobra de descolagem e aterragem robusta para um quadrirotor e direccionada a cenários críticos, em terrenos inclinados e com obstaculos circundantes. Uma arquitectura em cascada que inclui um observador de atitude não-linear e um controlador nao-linear e proposta para estabilizacao em posicao e atitude de um veículo quadrirotor baseada em medidas obtidas por uma camara capaz de movimento horizontal e inclinacao e por giroscopios.