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Tipo do documento: Tese
Título: Controle cooperativo ótimo dependente de grafo e sistema anticolisão voltados para formação e liderança de drones do tipo quadrimotor
Título(s) alternativo(s): Graph-dependent optimal cooperative control and collision avoidance system for training and leading four-engine drones
Autor: SÁ, Denis Fabricio Sousa de 
Primeiro orientador: FONSECA NETO, João Viana da
Primeiro membro da banca: FONSECA NETO, João Viana da
Segundo membro da banca: BARROS FILHO, Allan Kardec Dualibe
Terceiro membro da banca: SOUZA, Francisco das Chagas de
Quarto membro da banca: FREIRE, Raimundo Carlos Silvério
Quinto membro da banca: SILVEIRA, Antonio da Silva
Resumo: Esta tese se baseia na teoria de sistemas multiagentes através do uso de controle coo- perativo, visando a centralização, formação e liderança de múltiplos sistemas dinâmi- cos, especificamente, drones do tipo quadrimotor. Nela são apresentados os conceitos multiagentes, dadas as ópticas de sistemas guia, quando um agente virtual serve de referência para o agente real, e controle direto, quando os protocolos são aplicados di- retamente aos sistemas dinâmicos. São apresentadas as diversas formas de representar esses sistemas, desde o modelo mais simples (baseados em equações de Newton) até as mais generalizadas, como os sistemas não lineares. Diante desses modelos, aborda- se o quadrimotor e suas equações dinâmicas, incluindo seus controladores internos e como o sistema multiagente (protocolo) atua nesse tipo de aplicação, possibilitando seu uso na agricultura, sensoriamento móvel e segurança. Definidos os protocolos, leis que determinam o comportamento global dos agentes, apresenta-se uma abordagem de controle ótimo cooperativo para determinação de um regulador linear quadrático com base no comportamento global dos agentes mediante a existência de um líder virtual, incluindo os conceitos de formação e centralização do bando. Para isso, foi desenvolvida uma função de custo com base na variável de rastreio e ação de controle, possibilitando que os parâmetros ótimos fossem determinados em função da estrutura representativa do fluxo de informação entre o grupo de agentes, a matriz Laplaciana, considerando o acoplamento em relação ao líder. Essas formulações possibilitam o cálculo do controle cooperativo ótimo tanto para sistemas homogêneos quanto hetero- gêneos, quando a dinâmica dos agentes que compõem o grupo diferem entre si. Como principal contribuição, é proposto um sistema anticolisão com base no efeito de di- vergência e convergência por meio dos efeitos de centralização e descentralização de bando que resultou em um parâmetro anticolisão controlado de acordo com regiões de criticidade pré-definidas. A princípio, esse sistema é aplicado aos protocolos como sis- tema guia, ou seja, quando servem de referência de trajetória para o quadrimotor. Por fim, tem-se a plataforma 3D desenvolvida, que visa dar uma perspectiva mais aproxi- mada do que acontece com os agentes e gerar relatórios dos resultados, tanto simulados quanto experimentais. Nos experimentos são utilizados minidrones que são controla- dos via rádio e suas posições mensuradas com base em sensores infravermelho. As leis de controle utilizadas são constituídas pelos protocolos e leis anticolisão desenvolvidos que atuam controlando a trajetória destes minidrones, obtendo-se resultados similares aos simulados.
Abstract: This thesis is based on the theory of multi-agent systems through the use of coopera- tive control, aiming at the centralization, formation and leadership of multiple dynamic systems, specifically, four-engine drones. It presents the multi-agent concepts, given the perspective of guide systems, when a virtual agent serves as a reference for the real agent, and direct control, when protocols are applied directly to dynamic systems. Different ways of representing these systems are presented, from the simplest model (based on Newton’s equations) to the most generalized ones, such as nonlinear sys- tems. In view of these models, the four-engine engine and its dynamic equations are addressed, including its internal controllers and how the multi-agent system (protocol) operates in this type of application, enabling its use in agriculture, mobile sensing and security. Having defined the protocols, laws that determine the global behavior of the agents, an approach of cooperative optimal control is presented for the determination of a linear quadratic regulator based on the global behavior of the agents through the existence of a virtual leader, including the concepts of formation and group centrali- zation. For this, a cost function was developed based on the variable of tracking and control action, allowing the optimal parameters to be determined as a function of the representative structure of the information flow between the group of agents, the La- placian matrix, considering the coupling in relation to the leader. These formulations make it possible to calculate the optimal cooperative control for both homogeneous and heterogeneous systems, when the dynamics of the agents that make up the group differ from each other. As a main contribution, an anti-collision system is proposed based on the effect of divergence and convergence through the effects of centralization and decentralization of the flock, which resulted in an anti-collision parameter controlled according to predefined criticality regions. At first, this system is applied to protocols as a guide system, that is, when they serve as a trajectory reference for the four-engine. Finally, the 3D platform has been developed, which aims to give a closer perspective of what happens to the agents and generate reports of the results, both simulated and experimental. In the experiments, mini-drones are used that are controlled via radio and their positions measured based on infrared sensors. The control laws used are constituted by the protocols and anti-collision laws developed that act by controlling the trajectory of these minidrones, obtaining results similar to those simulated.
Palavras-chave: sistema multiagente;
controle cooperativo;
drones;
grafos;
sincronização;
anticolisão.
multiagent system;
cooperative control;
drone;
graphs;
synchronization;
collision avoidance.
Área(s) do CNPq: Dinâmica de Vôo
Ciência da Computação
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal do Maranhão
Sigla da instituição: UFMA
Departamento: DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DA ELETRICIDADE/CCET
Programa: PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ELETRICIDADE/CCET
Citação: SÁ, Denis Fabricio Sousa de. Controle cooperativo ótimo dependente de grafo e sistema anticolisão voltados para formação e liderança de drones do tipo quadrimotor. 2023. 154 f. Tese (Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Eletricidade/CCET) - Universidade Federal do Maranhão, São Luís, 2023.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: https://tedebc.ufma.br/jspui/handle/tede/tede/4814
Data de defesa: 30-Mai-2023
Aparece nas coleções:TESE DE DOUTORADO - PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE ELETRICIDADE

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