Nonlinear model predictive control on se(3) for aggressive maneuvers

Abstract

Esta tese investiga o controle de movimento agressivo de uma classe de veículos subatuados, com controle total de orientação e apenas uma entrada de força translacional, que possui direção fixa com relação ao corpo do veículo. Este modelo de atuação abrange vários tipos de veículos como helicópteros, drones multi-hélice, drone de ventilador canalizado, satélites e veículos submarinos. Existem vários desafios de controle para este tipo de sistemas, especialmente quando eles navegam em ambientes desordenados com obstáculos desconhecidos. O problema se intensifica quando manobras agressivas são consideradas pelo controlador, exigindo movimentos rápidos e precisos para reduzir o tempo de missão e melhorar a eficiência de desvio de obstáculos. Devido às condições extremas de voo, esses controladores devem ser formulados usando um espaço de configuração adequado. O uso do grupo Euclidiano Especial, abreviado como SE(3), é apropriado porque a representação é única e independente de quaisquer coordenadas locais, além de descrever efetivamente o acoplamento dos movimentos rotacionais e translacionais. Portanto, esta tese propõe esquemas de controle preditivo não linear baseado em modelo (NMPC), formulados no espaço SE(3), para regulação, rastreamento de trajetória e movimento rápido em ambientes desordenados com obstáculos desconhecidos. Quando os obstáculos são tratados no problema, os controladores propostos consideram a orientação do veículo durante o desvio do obstáculo. Além disso, como algumas aplicações, por exemplo, missões de busca e resgate, exigem que se chegue ao ponto de destino o mais rápido possível, este trabalho também propõe esquemas de NMPC que consideram a redução do tempo de missão como critério econômico.