Plánování trajektorie pro autonomní přistání vícerotorové helikoptéry na loď

Abstract

Tato práce se zabývá návrhem, implementací a ověřením systému plánování trajektorií pro přistání bezpilotní multirotorové helikoptéry na palubě plující lodi. Práce navazuje na již existující systém, který poskytuje odhad a predikci stavů lodi, a také na systém přesného autonomního řízení bezpilotní helikoptéry. Hlavní náplní této práce je návrh generátoru trajektorií, který implementuje sledování stavů lodi a vytváří trajektorie pro bezpilotní prostředek. V procesu je využit koncept prediktivního řízení (Model Predictive Control), který k řešení optimalizačních problémů využívá metody prvního řádu. To umožňuje použití relativně složitého modelu bezpilotního prostředku pro popis jeho dynamiky. Diky tomu je možné do plánování trajektorie zahrnout pozici, úhel natočení, lineární rychlost a rychlost změny Eulerových úhlů. Generátor trajektorií je schopný vytvářet trajektorie od vzletu až po přistání, zatímco všechny výpočty jsou prováděny na palubě bezpilotního prostředku a probíhají v reálném čase. Funkcionalita celkového systému je ověřována v simulacích i během reálných experimentů.This thesis focuses on the design, implementation and verification of trajectory planning for the landing of an unmanned multirotor helicopter on the deck of a moving boat. The work builds on an already existing system that provides accurate estimation and prediction of vessel’s states, as well as a system of precise autonomous control of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV). The main focus of this work lies in designing a trajectory generator that uses Unmanned Surface Vehicle (USV)’s states and creates trajectories for the unmanned helicopter. The concept of Model Predictive Control, which takes advantage of an optimisation problem solver based on first-order solution methods, is utilised in the process. This allows the use of a relatively accurate model of the UAV to describe its dynamics. Thanks to that, it is possible to include position, orientation, linear velocities and Euler rates in the planning of the trajectory. The trajectory generator is capable of creating trajectories from take-off to touch-down while all the computations are performed onboard the UAV in real-time. The overall system’s functionality is verified in different simulations and real-world experiments.