شماره ركورد
25769
شماره راهنما
MEC3 34
عنوان
برنامه ريزي مقاوم بلادرنگ مسير كوادكوپتر در برابر اغتشاش خارجي در محيط ناشناخته
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك - طراحي كاربردي
دانشكده
فني و مهندسي
تاريخ دفاع
1404/12/23
صفحه شمار
101 ص .
استاد راهنما
حسين كريم پور
كليدواژه فارسي
پهپاد (كوادكوپتر) , اغتشاش باد , برنامه¬ريزي مسير , بازطراحي مسير حركت , دسترس¬پذيري هميلتون ژاكوبي , بيضي¬گون ايمن , ابرصفحه
چكيده فارسي
در سالهاي اخير، استفاده از كوادكوپترها در كاربردهاي مختلفي مانند پايش محيطي، امداد و نجات، و حملونقل هوايي بهطور چشمگيري افزايش يافته است. با اين حال، حركت ايمن و بهينه اين كوادكوپترها در محيطهاي پيچيده و در حضور اغتشاشاتي مانند باد، همچنان يك چالش مهم در حوزهي برنامهريزي مسير و كنترل پرواز محسوب ميشود.
در اين رساله، سه مسئله اساسي مرتبط با برنامهريزي مسير حركت ايمن براي كوادكوپترها شناسايي شده و براي هر يك، يك راهحل نوآورانه پيشنهاد گرديده است: يك روش براي اصلاح مسيرهاي توليد شده توسط آلگوريتم¬هاي برنامهريزي مسير، مانند آلگوريتم جستجوي نقطه پرش (JPS)، در محيط¬هاي شلوغ با هدف تغيير مسير در مواجهه با موانع ارائه مي¬شود؛ بدين منظور يك ميدان نيروي مجازي اعمال ميشود كه بر نقاط مسير تأثير ميگذارد و شكل آن را به تناسب تغيير ميدهد، در حالي كه نزديك به مسير بهينه باقي ميماند. نتايج براي اشكال مختلف موانع ارائه شده و با روش ديگري مقايسه ميشود.
در ادامه، لحاظ اثر اغتشاش خارجي وارد بر كوادكوپتر جهت كاهش مخاطرات پرواز در محيط¬هاي محدود در سطح بالاي تصميم¬گيري مورد توجه قرار گرفت. رويكرد معرفي شده مبتني بر برنامهريزي مجدد مسير حركت كوادكوپتر با لحاظ پيشگيريانه اغتشاش باد مي¬باشد، به صورتي كه تضمين¬كننده موفقيت مأموريت شود و بار كمتري روي كنترل¬كننده سطح پائين تحميل گردد. تأثير عدم اطمينان وارد بر ديناميك كوادكوپتر ناشي از حضور باد به صورت يك بيضي¬گون ايمن به كمك تئوري تحليل دسترس¬پذيري هميلتون ژاكوبي مدلسازي ميشود. به منظور تطبيق مسير حركت با اين شرايط، يك ميدان متناسب با شدت اغتشاش باد و ميزان نزديكي بيضي¬گون ايمن به موانع اعمال ميشود و آن را تغيير شكل ميدهد در عين حالي كه برخي از ويژگيهاي بهينگي حفظ مي¬گردد. يك مطالعه مقايسهاي كه با نتايج شبيهسازي پشتيباني ميشود، اثربخشي روش پيشنهادي براي برنامه¬ريزي مجدد مسير¬هاي حركت را از نظر هزينه محاسباتي نشان ميدهد.
در نهايت، اين رساله هم يك رويكرد جديد براي برنامهريزي مجدد مسير حركت گروهي از كوادكوپترها تحت اغتشاشات باد ارائه ميدهد. براي جلوگيري از برخورد هر دو كوادكوپتر با يكديگر، در هر لحظه¬¬¬اي از افق برنامهريزي مجدد مسير، يك ابرصفحه موقت بين دو بيضيگون معادل آنها تشكيل ميگردد كه بعنوان ديواره جداساز، امكان پياده¬سازي آلگوريتم طراحي مجدد مسير بر اساس اعمال ميدان نيروي مجازي را براي هر دو آنها فراهم مي¬آورد. تأثير ميزان نامعيني ناشي از باد در اندازه بيضيگون ايمن كوادكوپترها منعكس مي¬شود و تشكيل ابرصفحه بين آنها محاسبه نيروي مجازي متقابل هر كدام را سهولت مي¬بخشد. اثربخشي روش پيشنهادي از نظر هزينهي محاسباتي، در قالب يك مطالعهي مقايسهاي و با بهرهگيري از نتايج شبيهسازي مورد ارزيابي قرار ميگيرد.
كليدواژه لاتين
Unmanned Aerial Vehicle (quadcopter) , Wind disturbance , Path planning , Trajectory replanning , Hamilton–Jacobi reachability , Safe ellipsoid , Hyperplane
عنوان لاتين
Robust real-time path planning of a quadcopter against external disturbances in unknown environment
گروه آموزشي
مهندسي مكانيك
چكيده لاتين
In recent years, the use of quadcopters has grown significantly across a wide range of applications, including environmental monitoring, search and rescue operations, and aerial transportation. Nevertheless, ensuring safe and optimal motion in complex environments, particularly in the presence of external disturbances such as wind, remains a critical challenge in path planning and flight control.
This thesis addresses three fundamental problems related to safe trajectory planning for quadcopters and proposes an innovative solution for each.
First, a novel method is introduced to modify paths generated by classical path-planning algorithms, such as the Jump Point Search (JPS) algorithm, in cluttered environments. The objective is to enable effective re-routing when encountering obstacles while maintaining proximity to the originally computed optimal path. To this end, a virtual force field is applied to the path waypoints, reshaping the trajectory in response to obstacle proximity while preserving its near-optimal characteristics. The performance of the proposed method is evaluated for various obstacle geometries and compared with an alternative path modification approach.
Second, external disturbances can substantially degrade quadcopter performance and, if neglected, may lead to mission failure. To address this issue, a new trajectory re-planning framework under wind disturbances is proposed. The uncertainty introduced into the quadcopter dynamics due to wind is modeled as a safe ellipsoid using Hamilton–Jacobi reachability analysis. To adapt the trajectory to these conditions, a virtual field proportional to both the disturbance intensity and the proximity of the safe ellipsoid to surrounding obstacles is applied. This field modifies the trajectory while preserving key optimality properties. A comparative study, supported simulation results, demonstrates the effectiveness of the proposed method in terms of computational cost.
Finally, this thesis extends the proposed framework to cooperative trajectory re-planning for a group of quadcopters operating under wind disturbances. To prevent inter-vehicle collisions, at each instant within the re-planning horizon, a temporary hyperplane is constructed between the equivalent safe ellipsoids of two quadcopters. This hyperplane acts as a separating boundary, facilitating the computation of mutual virtual forces and enabling independent yet coordinated trajectory deformation for each vehicle. The effect of wind uncertainty is reflected in the size of the corresponding safe ellipsoids, directly influencing the formation of the separating hyperplane. The effectiveness of the proposed multi-agent strategy is evaluated through a comparative study supported simulations, highlighting its computational cost.
تعداد فصل ها
5
فهرست مطالب pdf
158142
نويسنده