Formation control of a team of quadrotors with a leader-follower structure

Coordinated control of unmanned aerial vehicles is a research area that is attracting more and more attention due to its wide range of applications, e.g., monitoring, inspection, search and rescue operations in environments or conditions that are too risky for humans. Among unmanned aerial vehicles, quadrotors are being largely studied because of their maneuverability and hovering ability. Yet, coordination of a team of quadrotors is still a challenging task that is open to new resolution strategies. This thesis addresses the problem of coordinated control for a team of quadrotors that has to reach a target area, while passing through an environment with obstacles. A strategy that relies on a leader-follower configuration for the team is introduced. More specifically, a quadrotor, identified as the leader, is assigned a trajectory to reach the target and the other quadrotors, the followers, follow the leader while keeping in formation. This eases the task of obstacle and collision avoidance, while allowing the adoption of a decentralized communication scheme where the leader communicates with the ground station and then transmits the relevant information to the followers through a multi-hop routing. We structure the coordinated control problem into two phases: a formation phase driving the team in formation, and a mission phase where the whole team reaches the target while keeping in formation. The proposed solution suitably integrates trajectory planning, distributed consensus, and trajectory tracking. In the formation phase, all quadrotors receive the obstacle and collision-free trajectories to track from the ground station, which is in charge of trajectory planning. In the mission phase, the leader receives from the ground station the trajectory to track in order to reach the target, while each follower follows the leader maintaining the prescribed formation pattern. The trajectory assigned to the leader is planned by the ground station so as to guarantee obstacle avoidance for the whole formation. A distributed finite-time observer allows the followers to reach consensus on the leader state based on information passing through pairwise communications on a decentralized architecture guaranteeing that the leader is connected to every follower. As for the tracking of the prescribed trajectories, we need to guarantee a small tracking error for the actual trajectories to be obstacle and collision free. We then consider a tracking control technique with finite time convergence properties. Since the implementation of this control law requires measurements which might be unavailable in some applications and hard to estimate in case of aggressive maneuvers, we propose to adopt a further tracking control law that is capable to guarantee a fast convergence rate (although not finite-time convergence) without the need of such measurements. Simulation results show the effectiveness and performance of the proposed coordinated control strategy.  

Il controllo coordinato di aeromobili senza pilota è diventata un’area di ricerca di crescente interesse data la varietà di possibili applicazioni, quali, per esempio, operazioni di monitoraggio, ispezione, ricerca e soccorso in ambienti o in condizioni rischiose per un intervento diretto da parte di operatori umani. Tra le varie tipologie di aeromobili senza pilota, i quadricotteri sono stati oggetto di vari studi per la loro manovrabilità e capacità di volo in hovering. Il coordinamento di una squadra di quadricotteri rimane tuttavia un problema di interesse, aperto a nuove soluzioni. Questa tesi affronta il problema del volo coordinato di una squadra di quadricotteri che deve raggiungere un’area desiderata passando attraverso un ambiente in presenza di ostacoli. La soluzione proposta è basata su una configurazione di tipo leader-follower: a un quadricottero, identificato come leader, viene assegnata una traiettoria da seguire per raggiungere il target, mentre gli altri quadricotteri, detti follower, seguono il leader mantenendosi in formazione. Questa configurazione permette da un lato di semplificare il problema di evitare collisioni con ostacoli o altri velivoli, e dall’altro di utilizzare un’architettura di comunicazione decentralizzata in cui il leader comunica con la stazione di controllo a terra e trasmette le informazioni rilevanti ai follower. L’approccio introdotto struttura il problema di volo coordinato in due fasi: una prima fase detta di formazione, in cui la squadra di quadricotteri raggiunge una certa configurazione spaziale prestabilita, e una seconda fase detta di missione, in cui la squadra raggiunge l’obiettivo volando in formazione. La soluzione proposta integra strategie per la pianificazione di traiettoria, il consenso distribuito e l’inseguimento di traiettoria. Nella fase di formazione, la stazione di terra, che si occupa di pianificare il moto, assegna a ogni quadricottero la traiettoria da percorrere per evitare collisioni con altri velivoli o ostacoli. Nella fase di missione, il leader riceve dalla stazione di terra la traiettoria da seguire per raggiungere l’area desiderata, mentre ogni follower segue il leader mantenendo lo schema di formazione assegnato. Tale traiettoria è progettata in modo tale da permettere alla squadra di eseguire la fase di missione senza collidere con ostacoli. Inoltre, grazie ad un’architettura decentralizzata di comunicazione che garantisce che il leader sia connesso ad ogni follower, è possibile implementare un osservatore distribuito che permette ai follower di raggiungere il consenso riguardo lo stato del leader in tempo finito. Per garantire che le traiettorie effettivamente percorse dai quadricotteri siano prive di collisioni, è importante adottare una strategia di inseguimento di traiettoria con prestazioni elevate in termini di accuratezza. A questo scopo viene considerata una tecnica di controllo con proprietà di convergenza in tempo finito. Tuttavia, dato che la sua implementazione richiede misure di grandezze che potrebbero essere non disponibili in alcune applicazioni, oppure difficili se non impossibili da stimare mentre si eseguono manovre aggressive, viene proposta anche un’altra tecnica di controllo in grado di garantire una convergenza rapida (seppur non in tempo finito) dell’errore di inseguimento a zero, senza utilizzare tali misure. Efficacia e prestazioni delle strategie proposte sono infine mostrate in simulazione.