Nonlinear Model Predictive Path-Following Control for fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles

Abstract

Denne masteroppgaven studerer path problemet. Path problem refererer til å styre et kjøretøy og deretter holde det nær en forhåndsdefinert geometrisk kurve i et Euclidean space. I motsetning til trajectory tracking er posisjonen langs banen en grad av frihet slik at størrelsen på hastighetsvektoren i de fleste tilfeller kontrolleres frihetsgrad. NMPC kan brukes til å følge geometrisk utfordrende kurver, og samtidig utføre optimalt med hensyn til brukerdefinert kostnadsfunksjon og begrensninger.

Denne oppgaven bygger på fordypnings prosjektet[1] som utforsket et path problem med to forskjellige tilnærminger. Den første var en vektorfeltbasert path following algoritme for å kontrollere kurs og høyde i en successive loop closure. Og en NMPC med en forenklet kinematisk modell. Den kinematiske modellen vil bli videreutviklet i denne oppgaven og inkludere en lav nivå autopilot i indre sløyfen. Det vil også være en komplett dynamisk modell av UAV X8 Skywalker i NMPC.

Vil utforsket to måter å parameterisere path, men en rett linje og en buet i det Euclidean space. Videre vil det være en simuleringsstudie og sammenligne den forenklede kinematiske og dynamiske modell i en NMPC med en geometriske kontrollere VFB for rett linje og NDGPFG for den buede banen.

En simulering av resultatene kan sees på https://www.youtube.com/watch?v=SYCMKUfa-mk

This master’s thesis studies the path following problem. The path-following problem refers to steering a vehicle and then keeping it close to a predefined geometric curve in the Euclidean space. In contrast to trajectory tracking, the position along the path is a degree of freedom such that the magnitude of the velocity vector is in most cases controlled independently. Nonlinear model predictive controller (NMPC) can be used to follow geometrically challenging curves, and at the same time performing optimally with respect to user-defined cost function and constraints.

This thesis builds on the specialization project[1] which explored a straight-line path problem with two different approaches. The first was a vector field-based path-following algorithm for controlling the course and height in a successive loop closure. And an NMPC with a simplified kinematic model. The kinematic model will be further developed in this thesis and include a low-level autopilot in the inner-loop. There will also be a complete dynamic model of the unmanned aerial vehicle (UAV) X8 Skywalker in the NMPC.

Will explored two ways to parameterize the path where the path is a straight line and a curved path in the Euclidean space R3. Further, there will be a simulation study and comparing the simplified kinematic and dynamic model NMPC to geometric controlers vector field-based (VFB) for straight-line path and nonlinear differential geometric path-following (NDGPFG) for the curved path.

A simulation of the results are seen at https://www.youtube.com/watch?v=SYCMKUfa-mk.