Trajectory planning based on collocation methods for multiple aerial and ground autonomous vehicles
Santiago Vera Rendón · Dialnet (Universidad de la Rioja) · 2015
Esta tesis doctorar presenta una serie de contribuciones en los metodos de coordinacion y generacion de trayectorias de grupos de vehiculos, concretamente de vehiculos autonomos. Los metodos de colocacion, mas conocidos por su nombre en ingles Collocation methods, han despertado un creciente interes en los ultimos anos, entre los distintos metodos numericos para resolver cualquier tipo de problema dentro del campo de la ingenieria. Esta tesis en concreto, presenta un nuevo punto de vista dentro de los metodos de generacion de trayectorias, gracias al uso de los metodos de colocacion. El interes sobre los vehiculos autonomos se ha visto intensificado en los ultimos anos. Gracias a la evolucion de los sensores, la obtencion de informacion del medio que rodea a un vehiculo es cada vez mas sencilla y fiable. Esto permite a los sistemas de navegacion de los vehiculos generar cada vez mejores trayectorias libres de colisiones. Esta habilidad tambien permite a los vehiculos autonomos planificar rutas optimas, evitar obstaculos, seguir algun objetivo, o muchas otras tareas. Inicialmente, el interes sobre los vehiculos autonomos recaia principalmente en las aplicaciones militares, especialmente en los vehiculos aereos, conocidos como UAVs o Drones. Pero con el paso del tiempo, las aplicaciones civiles o domesticas estan sobre pasando los intereses militares. Estas aplicaciones incluyen tanto a vehiculos terrestres como aereos, aunque el impacto sobre los vehiculos autonomos aereos (UAVs) es mucho mayor. Esto es debido a que la accesibilidad y maniobrabilidad de estos vehiculos ofrece mas ventajas que los vehiculos autonomos terrestres (UGVs) en aplicaciones como localizacion, seguimiento, adquisicion de imagenes, generacion de mapas, etc. Esta tesis doctoral presenta un nuevo metodo centralizado para la generacion de trayectorias para multiples vehiculos autonomos. Este metodo se puede usar tanto para vehiculos terrestres como aereos, e incluso en escenarios mixtos con ambos tipos de vehiculos. Dicho metodo esta basado en los metodos de colocacion Pseudoespectrales, mas conocido en ingles como Pseudospectral (PS) collocation methods. Estos metodos son muy utilizados para resolver problemas de control optimos, y se caracterizar porque resuelven dicho problema numericamente. En el caso de generacion de trayectorias, el problema es formulado como un problema de control optimo, incluyendo las ecuaciones diferenciales que definen la dinamica de los vehiculos, las propias restricciones fisicas de los actuadores del vehiculo, asi como las dimensiones del escenario y restricciones de distancia de seguridad entre los distintos vehiculos. Luego, se define una funcion de costes que debe de ser optimizada, como por ejemplo, la distancia de navegacion o el propio consumo del vehiculo. Los metodos de colocacion Pseudospectrales tratan de resolver el problema de optimizacion aproximando el vector de estado y de control por una serie de polinomios en una serie de puntos denominados puntos de colocacion o collocation points en ingles. Las restricciones dinamicas de movimiento y las restricciones del problema tambien deben de cumplirse en dichos puntos. De esta manera, cuando el problema esta discretizado y parametrizado, se produce una transformacion al paradigma algebraico. Todo el problema se transforma en un problema de Programacion no lineal (PNL), el cual sera resuelto por algun programa de optimizacion como por ejemplo puede ser el SNOPT solver. Esta forma concreta de modelado del problema de generacion de trayectorias permite obtener trayectorias mucho mas realistas que son a su vez, mas facil de seguir por el vehiculo en cuestion. Esta tesis presenta tambien un profundo estudio del comportamiento de los distintos metodos de colocacion cuando son usados como generadores de trayectorias. A lo largo de la tesis se ha visto que aspectos como la discretizacion o la aproximacion polinomica afectan a la solucion del problema, y se ha analizado como afecta a otros aspectos como la integridad del sistema, escalabilidad del metodo (como influye el incremento de vehiculos considerados en la planificacion), tiempo de computo necesario para obtener una solucion, etc. Un resumen de los objetivos que se han abarcado durante el desarrollo de la tesis se presenta a continuacion: Clasificacion exhaustiva de los distintos metodos de colocacion. Este punto intenta hacer una distincion entre clasicos metodos de colocacion Directos y los nuevos Pseudoespectrales. Presentando una descripcion completa de estos ultimos. � Analisis de los metodos de colocacion en problemas de generacion de trayectorias. Los metodos de colocacion son metodos de proposito general, de manera que se pretende analizar las ventajas y desventajas de estos metodos en los problemas de generacion de trayectorias. Estudio de rendimiento de los metodos de colocacion. Aspectos como la calidad de las soluciones obtenidas, escalabilidad, tiempo de computo para obtener una solucion, aplicaciones de tiempo real, etc. son estudiados en los distintos metodos. Busqueda de configuraciones que mejoren el rendimiento. En este apartado se pretende sintonizar los parametros de configuracion de algunos metodos de colocacion para buscar un optimo rendimiento. Desarrollo de un nuevo algoritmo denominado metodo de colocacion S-Adaptive. Este es un algoritmo desarrollado especificamente para la generacion de trayectorias. Este metodo resuelve toda las desventajas que se producen en los metodos de colocacion clasicos. Desarrollo de escenarios con vehiculos terrestres en presencia de obstaculos. Los metodos de colocacion han sido muy utilizados en aplicaciones aeronauticas. Un claro ejemple de ello es la gran cantidad de articulos que se pueden encontrar en la literatura. Es por esto que el uso de vehiculos terrestres y concretamente, su uso en presencia de multiple obstaculos fijos en dichos escenarios, supone una novedad en si. Validacion experimental de los algoritmos. Este punto se centra en la validacion de los resultados obtenidos en las fases de desarrollo y simulacion, con vehiculos reales. Una gran cantidad de escenarios son presentados con vehiculos autonomos, tanto terrestres como aereos. Todos estos experimentos estan dentro del marco de desarrollo del proyecto europeo de investigacion EC-SAFEMOBIL Estimation and Control for SAFE wireless high MOBILity cooperative industrial systems.