Practical coordination of multi-vehicle systems in formation
Formasyon içinde çoklu araç sistemlerinin pratik koordinasyonu
- Tez No: 825906
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BARIS FIDAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Waterloo
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 135
Özet
Bu tez kapsamında çoklu araç sistemlerinin işbirliği ve koordinasyonunu oluşturmak ve formasyon geometrisini koruma değerlendirilmiştir. İlk olarak, işbirlikçi operasyonlara uygun farklı hareket karakteristiklerini temsil eden hava ve karayolu araçlarının modellemesi sunulmuştur. Ardından, otonom araç ekipleri için üç boyutlu bütünsel hareket koordinasyonu ve formasyon kontrol yapısı verilmektedir. İlgili kontrol yapısının iki ana bileşeni şunlardır: i) platform bağımsız yüksek seviye çevrimiçi yörünge oluşturma algoritmaları ve ii) bireysel yörünge takip denetleyicileri. Yüksek seviye algoritmalar, üç boyutlu lider-takipçi yapıları için istenen yörüngeleri oluşturur ve ardından dağıtılmış denetleyiciler, her bir ajanın istenen yörüngeyi takip etmesini sağlar. Kontrol yapısının genel amacı, araçları formasyon geometrisini koruyarak hareket ettirmektir. Bu problemi çözmek için grafiksel rijitlik ve süreklilik kavramları ile sanal hedef takip ve yumuşak geçiş tekniklerini kullanarak dağıtık bir kontrol yapısı önerilmektedir. Dağıtık kontrol yapısı, ajan kinematiğini bir tek hızlı integratör olarak modellemek suretiyle geliştirilmiş; bununla birlikte, sabit kanatlı otonom hava araçları ve quadrotorların basitleştirilmiş kinematik ve dinamik modellerinin kullanıldığı durumlarda ele alınmıştır. Üç boyutlu işbirliği, takip ve keşif faaliyetleri için mükemmel geometrilerle askeri faaliyetlerde operasyon güvenliği için, otonom uçuş ile daha uyumludur ve gelecekteki hava taşımacılığı yönlerini, birden fazla uzay aracı ve bağlı formasyon uçuşu gibi konuları mümkün kılar. Sonrasında, üç boyutlu araç kinematiği için hareket kontrolcü modellemesi üzerine odaklanarak atalet ölçüm gürültüsünden kaynaklanan parametrik belirsizlikleri dikkate aldık. Üç boyutlu hareket kontrol misyonunu gerçekleştirmek için parametrik belirsizliklere dikkat ederek ve yeni bir kontrol yapısı kullanarak uyarlamalı bir denetleyici tasarladık. Ardından, kara araçlarının trafikte işbirlikli sürüşüne yönelik formasyon ve dizi kararlılığı kavramlarını ele aldık. Ticari araçların işbirliği ile otoyollarda sürüş yaparak günlük trafikte yol kapasitesini artırma ve trafik sıkışıklığını azaltma gibi önemli avantajları mevcuttur. Otomotiv sektöründeki birçok firma, sürücü destek sistemlerini ve adaptif seyir kontrolü (ACC) desteğini uygulamaya başlamıştır. Bu da yüksek seviye işbirliği algoritmalarını ek yazılım ve basit elektronik değişikliklerle uygulamayı mümkün kılmaktadır. Bu bağlamda, belirli kentsel ve otoyol görevleri için işbirlikli adaptif seyir kontrolü yaklaşımı ele alınmıştır. Ayrıca, araç parametrelerinin detayları, kontrol yapılarının matematiksel modelleri ve modellerimizin doğrulanması için deneysel testler çalışmamız kapsamında sunulmaktadır. Statik yol kenarı birimlerinin varlığı durumunda araçtan araca iletişimin etkisi de verilmiştir. Son olarak, otoyol formasyon sürüş görevleri için kararlılık garantili kontrolcüler kümesi önerilmektedir. Sabit ve hız bağımlı mesafe kuralını dikkate alan otoyol formasyon sürüş görevlerinin problem tanımı ve dizi kararlılık analizi de çalışmaya dahil edilmiştir. Ayrıca, dayanıklı formasyon oluşturmak için geri besleme filtresi tabanlı araçlar arası mesafe öncelik katsayısı tasarımı bir filtre yaklaşımı olarak sunulmuştur. Sonuç olarak, bireysel araçların ve formasyon topolojisinin otonomi seviyesini artırmada, bütünsel koordinasyon ve işbirliği sürüş görevlerini yerine getirmede ve algısal hataları azaltmada önemini ele alınmıştır. Simülasyon ve deneysel sonuçlar, işbirlikçi hareket ve dizi kararlı denetleyicilerimizin performansı gösterilmektedir. Otonom bağlı araç sistemlerinin formasyon kontrolünde uygulama detaylandırılmıştır.
Özet (Çeviri)
This thesis considers the cooperation and coordination of multi vehicle systems cohesively in order to keep the formation geometry and provide the string stability. We first present the modeling of aerial and road vehicles representing different motion characteristics suitable for cooperative operations. Then, a set of three-dimensional cohesive motion coordination and formation control schemes for teams of autonomous vehicles is proposed. The two main components of these schemes are i) platform free high level online trajectory generation algorithms and ii) individual trajectory tracking controllers. High level algorithms generate the desired trajectories for three-dimensional leader-follower structured tight formations, and then distributed controllers provide the individual control of each agent for tracking the desired trajectories. The generic goal of the control scheme is to move the agents while maintaining the formation geometry. We propose a distributed control scheme to solve this problem utilizing the notions of graph rigidity and persistence as well as techniques of virtual target tracking and smooth switching. The distributed control scheme is developed by modeling the agent kinematics as a single-velocity integrator; nevertheless, extension to the cases with simplified kinematic and dynamic models of fixed-wing autonomous aerial vehicles and quadrotors is discussed. The cohesive cooperation in three dimensions is so beneficial for surveillance and reconnaissance activities with optimal geometries, operation security in military activities, more viable with autonomous flying, and future aeronautics aspects, such as fractionated spacecraft and tethered formation flying. We then focus on motion control task modeling for three-dimensional agent kinematics and considering parametric uncertainties originated from inertial measurement noise. We design an adaptive controller to perform the three-dimensional motion control task, paying attention to the parametric uncertainties, and employing a recently developed immersion and invariance based scheme. Next, the cooperative driving of road vehicles in a platoon and string stability concepts in one-dimensional traffic are discussed. Collaborative driving of commercial vehicles has significant advantages while platooning on highways, including increased road-capacity and reduced traffic congestion in daily traffic. Several companies in the automotive sector have started implementing driver assistance systems and adaptive cruise control (ACC) support, which enables implementation of high level cooperative algorithms with additional software and simple electronic modifications. In this context, the cooperative adaptive cruise control approach is discussed for specific urban and highway platooning missions. In addition, we provide details of vehicle parameters, mathematical models of control structures, and experimental tests for the validation of our models. Moreover, the impact of vehicle to vehicle communication in the existence of static road-side units are given. Finally, we propose a set of stability guaranteed controllers for highway platooning missions. Formal problem definition of highway platooning considering constant and velocity dependent spacing strategies, and formal string stability analysis are included. Additionally, we provide the design of novel intervehicle distance based priority coefficient of feed-forward filter for robust platooning. In conclusion, the importance of increasing the level of autonomy of single agents and platoon topology is discussed in performing cohesive coordination and collaborative driving missions and in mitigating sensory errors. Simulation and experimental results demonstrate the performance of our cohesive motion and string stable controllers, in addition we discuss application in formation control of autonomous multi-agent systems.
Benzer Tezler
- Çoklu otonom insansız hava araçları için paralel programlama tabanlı yol planlaması
Parallel programming based path planning for multi autonomous unmmaned vehicles
ÖMER ÇETİN
Doktora
Türkçe
2015
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHava Harp Okulu KomutanlığıBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜRAY YILMAZ
- Engellerden kaçınan ve çoklu hedef takib sistemi gerçekleştirebilen akıllı sürü İHA navigasyonu
Intelligent swarm UAV navigation system with obstacles avoidance and multi-target tracking capability
ELEBAID KHALID ELSAYED BAKHIT
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolPamukkale ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ÖZEK
- A new approach to satellite communication: Harnessing the power of reconfigurable intelligent surfaces
Uydu iletisimine yeni bir yaklaşım: Yeniden yapılandırılabı̇lı̇r akıllı yüzeylerden faydalanma
KÜRŞAT TEKBIYIK
Doktora
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Kalite çemberleri ve konfeksiyon uygulamaları
Başlık çevirisi yok
ŞENOL DALLI
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. BAYRAM YÜKSEL