@article{AliMontenegro2016, author = {Ali, Qasim and Montenegro, Sergio}, title = {Decentralized control for scalable quadcopter formations}, series = {International Journal of Aerospace Engineering}, volume = {2016}, journal = {International Journal of Aerospace Engineering}, doi = {10.1155/2016/9108983}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-146704}, pages = {9108983}, year = {2016}, abstract = {An innovative framework has been developed for teamwork of two quadcopter formations, each having its specified formation geometry, assigned task, and matching control scheme. Position control for quadcopters in one of the formations has been implemented through a Linear Quadratic Regulator Proportional Integral (LQR PI) control scheme based on explicit model following scheme. Quadcopters in the other formation are controlled through LQR PI servomechanism control scheme. These two control schemes are compared in terms of their performance and control effort. Both formations are commanded by respective ground stations through virtual leaders. Quadcopters in formations are able to track desired trajectories as well as hovering at desired points for selected time duration. In case of communication loss between ground station and any of the quadcopters, the neighboring quadcopter provides the command data, received from the ground station, to the affected unit. Proposed control schemes have been validated through extensive simulations using MATLAB®/Simulink® that provided favorable results.}, language = {en} } @article{AliMontenegro2016, author = {Ali, Qasim and Montenegro, Sergio}, title = {Explicit Model Following Distributed Control Scheme for Formation Flying of Mini UAVs}, series = {IEEE Access}, volume = {4}, journal = {IEEE Access}, number = {397-406}, doi = {10.1109/ACCESS.2016.2517203}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-146061}, year = {2016}, abstract = {A centralized heterogeneous formation flight position control scheme has been formulated using an explicit model following design, based on a Linear Quadratic Regulator Proportional Integral (LQR PI) controller. The leader quadcopter is a stable reference model with desired dynamics whose output is perfectly tracked by the two wingmen quadcopters. The leader itself is controlled through the pole placement control method with desired stability characteristics, while the two followers are controlled through a robust and adaptive LQR PI control method. Selected 3-D formation geometry and static stability are maintained under a number of possible perturbations. With this control scheme, formation geometry may also be switched to any arbitrary shape during flight, provided a suitable collision avoidance mechanism is incorporated. In case of communication loss between the leader and any of the followers, the other follower provides the data, received from the leader, to the affected follower. The stability of the closed-loop system has been analyzed using singular values. The proposed approach for the tightly coupled formation flight of mini unmanned aerial vehicles has been validated with the help of extensive simulations using MATLAB/Simulink, which provided promising results.}, language = {en} } @phdthesis{Ali2017, author = {Ali, Qasim}, title = {Distributed Control of Cooperating Mini UAVs}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-140686}, school = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg}, year = {2017}, abstract = {Mini Unmanned Aerial Vehicles (MUAVs) werden immer beliebtere Forschungsplattformen. Vor allem in den letzten Jahren ziehen sie aufgrund ihrer Erschwinglichkeit und ihrer Flexibilit{\"a}t, die es erlaubt sie in fast allen Lebensbereichen einzusetzen, betr{\"a}chtliche Aufmerksamkeit auf sich. MUAVs haben offensichtliche Vorteile gegen{\"u}ber bemannten Plattformen einschließlich ihrer viel geringeren Herstellungs- und Betriebskosten, Risikovermeidung f{\"u}r den menschlichen Piloten, der M{\"o}glichkeit sicher niedrig und langsam fliegen zu k{\"o}nnen, und Realisierung von Operationen, die {\"u}ber die inh{\"a}renten Grenzen des menschlichen K{\"o}rpers hinausgehen. Der Fortschritt in der Micro Electro-Mechanical System (MEMS) Technologie, Avionik und Miniaturisierung von Sensoren spielte auch eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der MUAVs. Diese Flugger{\"a}te reichen von einfachem Spielzeug aus dem Elektrofachhandel bis zu hoch entwickelten, kommerziellen Plattformen, die die Durchf{\"u}hrung neuer Aufgaben wie Offshore-Windkraftwerk Inspektionen, 3D-Modellierung von Geb{\"a}uden usw. erlauben. MUAVs sind auch umweltfreundlich, da sie weniger Luftverschmutzung und L{\"a}rm verursachen. Unbemannt ist daher un{\"u}bertroffen. Aktuelle Forschung konzentriert sich auf die M{\"o}glichkeit mehrere kosteng{\"u}nstige Flugger{\"a}te zusammen fliegen zu lassen, w{\"a}hrend die erforderliche relative r{\"a}umliche Trennungen beibehalten wird. Dies erm{\"o}glicht es effizient Aufgaben zu erf{\"u}llen im Vergleich zu einem einzigen sehr teuren Flugger{\"a}t. Durch die Redundanz entf{\"a}llt auch das Risiko des Scheiterns der Mission durch den Verlust eines einzigen Flugger{\"a}ts. Wertvolle Aufgaben, die kooperative Flugger{\"a}te ausf{\"u}hren k{\"o}nnen, sind beispielsweise gemeinsame Lasttransporte, Such- und Rettungsmissionen, mobile Kommunikationsrelais, Spr{\"u}hen von Pestiziden und Wetterbeobachtung. Obwohl die Realisierung von Fl{\"u}gen mit mehreren, gekoppelten UAVs komplex ist, rechtfertigen dennoch offensichtliche Vorteile diese m{\"u}hsame und aufw{\"a}ndige Entwicklungsarbeit. Verteilte Steuerung von kooperierenden Einheiten ist ein multidisziplin{\"a}res Thema, das es erfordert in diversifizierten Bereichen zu arbeiten. Dazu geh{\"o}ren MUAV Hardware und Software, Kommunikationstechniken f{\"u}r den notwendigen Informationsaustausch, Flugdynamik, Regelungstechnik, insbesondere f{\"u}r verteilte / kooperative Steuerungstechniken, Graphentheorie f{\"u}r Kommunikationstopologie Modellierung und Sensoren-Technologie wie Differential GPS (DGPS). F{\"u}r eine Flotte von Agenten, die in unmittelbarer N{\"a}he fliegen, ist eine genaue Positionsbestimmung zwingend n{\"o}tig um Kollisionen zu vermeiden und die Anforderungen f{\"u}r die meisten Missionen wie Georeferenzierung zu erf{\"u}llen. F{\"u}r solche Szenarien ist DGPS ein potenzieller Kandidat. Ein Teil der Forschung konzentriert sich daher auf die Entwicklung von DGPS Code. Eines der Module dieser Forschung war Hardware-Implementierung. Ein einfacher Test-Aufbau zur Realisierung von Basisfunktionalit{\"a}ten f{\"u}r Formationsflug von Quadrocoptern wurde am Lehrstuhl f{\"u}r Informationstechnik in der Luft- und Raumfahrt der Universit{\"a}t W{\"u}rzburg entwickelt. Diese Testumgebung kann nicht nur zur Pr{\"u}fung und Validierung von Algorithmen f{\"u}r Formationsflug in realer Umgebung genutzt werden, sondern dient auch zur Ausbildung von Studenten. Ein bereits vorhandener Pr{\"u}fstand f{\"u}r einzelne Quadrocopter wurde mit den notwendigen Kommunikation und verteilten Steuerung erweitert, um Algorithmen f{\"u}r Formationsfl{\"u}ge in drei Freiheitsgraden (Roll / Nick / Gier) zu testen. Diese Studie umfasst die Bereiche der Kommunikation, Steuerungstechnik und Embedded-System-Programmierung. Das Bluetooth-Protokoll wurde f{\"u}r die gegenseitige Kommunikation zwischen zwei Quadrocoptern verwendet. Eine einfache Technik der Proportional-Integral-Differential (PID) Steuerung in Kombination mit Kalman-Filter wurde genutzt. Die MATLAB Instrument Control Toolbox wurde f{\"u}r die Datenanzeige, die Analyse und das Plotten verwendet. Plots k{\"o}nnen in Echtzeit gezeichnet werden und empfangene Daten k{\"o}nnen auch in Form von Dateien zur sp{\"a}teren Verwendung und Analyse gespeichert werden. Das System wurde preisg{\"u}nstig, unter Ber{\"u}cksichtigung eines einfachen Aufbaus, entwickelt. Der vorgeschlagene Aufbau ist sehr flexibel und kann einfach an ver{\"a}nderte Anforderungen angepasst werden. Als verteiltes Steuerungsschema wurde ein zentralisierter, heterogener Formationsflug Positionsregler formuliert, der einen „explicit model following Linear Quadratic Regulator Proportional Integral (LQR PI)" Regler verwendet. Der Anf{\"u}hrer Quadrocopter ist ein stabiles Referenzmodell mit der gew{\"u}nschten Dynamik, deren Ausgang vollkommen von den beiden Wingmen Quadrocopter verfolgt wird. Der Anf{\"u}hrer selbst wird durch Pole Placement Steuerverfahren mit den gew{\"u}nschten Stabilit{\"a}tseigenschaften gesteuert, w{\"a}hrend die beiden Anh{\"a}nger durch robuste und adaptive LQR PI Steuerverfahren geregelt werden. F{\"u}r diese Studie wird ein Vollzustandsvektor der Quadrocopter betrachtet w{\"a}hrend nur die resultierende Leistung verfolgt wird. Die ausgew{\"a}hlte 3D Formationsgeometrie und die statische Stabilit{\"a}t bleibt unter einer Vielzahl von m{\"o}glichen St{\"o}rungen erhalten. Bei Kommunikationsverlust zwischen Anf{\"u}hrer und einem der Anh{\"a}nger, leitet der andere Anh{\"a}nger die Daten, die er vom Anf{\"u}hrer erhalten hat, an den betroffenen Anh{\"a}nger weiter. Die Stabilit{\"a}t des Regelsystems wurde unter Verwendung von Singul{\"a}rwerten analysiert. Der vorgeschlagene Ansatz f{\"u}r eng gekoppelten Formationsflug von MUAVs wurde mit Hilfe von umfangreichen Simulationen unter MATLAB® / Simulink® validiert und ergab viel versprechende Ergebnisse. Auch die Tracking-Leistung wurde f{\"u}r zeitlich ver{\"a}nderliche Befehle gezeigt. Die vorgeschlagene Architektur ist skalierbar und kann problemlos erweitert werden. Dieser Ansatz ist f{\"u}r die Szenarien geeignet, die eng gekoppelte Formationsflug ben{\"o}tigen, wie kooperatives Greifen oder gemeinsame Lasttransporte. Ein innovatives Framework f{\"u}r die Teamarbeit von zwei Quadrocopter Flotten wurde entwickelt. Als Beispielmission wurde ein Szenario gew{\"a}hlt, bei dem ein Feuer auf einer gr{\"o}ßeren Fl{\"a}che gel{\"o}scht werden muss. Jede Formation hat ihre angegebene Formationsgeometrie und eine zugewiesene Aufgabe. Die Lageregelung f{\"u}r die Quadrocopter in einer der Formationen wurde durch ein LQR PI-Regelschema, das auf „explicit model following" basiert, umgesetzt. Die Quadrocopter in anderen Formation werden durch ein LQR PI Servomechanismus Regelsystem gesteuert. Die beiden Steuersysteme werden in Bezug auf ihre Leistung und ihren Steuerungsaufwand verglichen. Beide Formationen werden durch entsprechende Bodenstationen durch virtuelle Anf{\"u}hrer kommandiert. Die Bodenstationen tauschen die befohlene H{\"o}heninformation aus, um gegenseitig eine sichere Trennung zwischen den Formationen zu gew{\"a}hrleisten. Die Quadrocopter k{\"o}nnen kommandierte Solltrajektorien folgen und {\"u}ber erw{\"u}nschten Punkten f{\"u}r eine vorgegebene Zeit schweben. Bei Kommunikationsverlust zwischen Bodenstation und einem der Quadcopter leitet der benachbarte Quadrocopter die Befehlsdaten, die er von der Bodenstation erhalten hat, an die betroffene Einheit weiter. Das vorgeschlagene Framework wurde durch umfangreiche Simulationen mit Hilfe von MATLAB® / Simulink® validiert und liefert sehr brauchbare Ergebnisse. Cluster-Rekonfiguration von Agenten wird in unserer Arbeit ebenfalls gezeigt. Dies erlaubt es die Formationsgeometrie w{\"a}hrend des Fluges auf eine beliebige neue Form umzuschalten. F{\"u}r die genannten Anwendungen sind Konsens Algorithmen nicht erw{\"u}nscht, da wir von den Quadrocopter Flotten fordern, dass sie dem von uns gew{\"a}hlten Weg folgen, und nicht ihren Weg selbst w{\"a}hlen. Eine Reihe der praktischen Probleme von Kommunikationsnetzen kann in geeigneter Weise durch Graphen dargestellt werden. Dies erleichtert die Problemformulierung und den Analyseprozess. Kommunikationstopologien f{\"u}r Netzwerke mit einer großen Anzahl von Einheiten, wie zum Beispiel Schw{\"a}rme von Luftfahrzeugen, k{\"o}nnen durch einen graphentheoretischen Ansatz untersucht werden. Um die Bildung solcher Probleme zu erleichtern, wird der Graph mit Hilfe der Laplace-Matrix dargestellt. Eigenwerte der Laplace-Matrix wurden in unserer Studie angemessene Ber{\"u}cksichtigung gegeben einen Einblick in die Graphen / Subgraphen Eigenschaften zu verleihen. Der gleiche wurden genutzt um die bekannte Euler Formel zu verallgemeinern und somit auf Graphen und Subgraphen anwendbar zu machen. Eine modifizierte Euler-Formel wird ebenfalls vorgestellt. Die Verwendung der Graphentheorie in verteilten / kooperativen Regelsystemen wird auch durch Simulationen gezeigt. Kooperative Kontrolschemas, die auf auf Konsens-Algorithmen beruhenden, wurden f{\"u}r die Lageregelung von Quadrocopter-Flotten, in denen kein expliziter Anf{\"u}hrer existiert, verwendet. Konsens-Algorithmen wurden in Kombination mit verschiedenen Steuersystemen verwendet, was zur Autonomie von Quadrocoptern beitr{\"a}gt. Die Steuersysteme, die f{\"u}r diesen Zweck verwendet werden, umfassen LQR PI-Regelung basierend auf „model following" und LQR PI Servo-Mechanismus. Die Regelungen wurden unter verschiedenen Kommunikationstopologien untersucht, darunter voll verbundene ungerichtete Graphen, gerichteten Graphen und Zyklus-Topologie. Der Informationsfluss unter den Agenten in einem Cluster wurde durch Laplace-Matrix modelliert. Die Auswirkungen von Eingangs Verzerrungen auf Konsens Werte wurden ebenfalls untersucht. Quadrocopter k{\"o}nnen durch gegenseitigen Konsens Flugbahnen verfolgen und die Zielpunkte erreichen. Die vorgeschlagenen Regelungssysteme wurden unter verschiedenen Kommunikationstopologien in Matlab / Simulink-Umgebung durch umfangreiche Simulationen validiert. Die Ergebnisse bescheinigen die Wirksamkeit der pr{\"a}sentierten Schemata mit dem zus{\"a}tzlichen Vorteil der Einfachheit der Umsetzung. Das vorgeschlagene Regelungssystem ist skalierbar f{\"u}r große Gruppen von MUAVs. F{\"u}r Formationsflug sind die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit sehr hoch. GPS-Signale allein bieten keine ausreichend hohe Positionsgenauigkeit um die Anforderung zu erf{\"u}llen; eine Technik f{\"u}r die genauere Positionsbestimmung ist daher erforderlich, beispielsweise DGPS. Es existiert eine Anzahl von {\"o}ffentlichen Codes f{\"u}r die GPS-Positionsbestimmung und Baseline-Bestimmung im Offline-Modus. Es existiert jedoch keine Software f{\"u}r DGPS, die Korrekturfaktoren der Basisstationen nutzt, ohne auf Doppel Differenz Informationen zu vertrauen. Um dies zu erreichen, wurde eine Methodik in MATLAB-Umgebung f{\"u}r DGPS mit C/A Pseudoranges nur auf einzelne Frequenz L1 eingef{\"u}hrt es machbar f{\"u}r Empf{\"a}nger kosteng{\"u}nstig GPS zu nutzen. Unsere Basisstation wird an einem genau vermessen Referenzpunkt aufgestellt. Pseudoranges und geometrische Abst{\"a}nde werden an der Basisstation verglichen, um die Korrekturfaktoren zu berechnen. Diese Korrekturfaktoren, f{\"u}r aller g{\"u}ltigen Satelliten w{\"a}hrend einer Epoche, werden dann an einen Rover {\"u}bergeben. Das Rover ber{\"u}cksichtigt innerhalb der entsprechenden Epoche diese f{\"u}r seine eigene wahre Positionsbestimmung. Zur Validierung der vorgeschlagenen Algorithmen wird unsere Rover ebenfalls an einer vorbestimmten Stelle platziert. Der vorgeschlagene Code ist ein geeignetes und einfaches Werkzeug f{\"u}r die Nachbearbeitung von GPS-Rohdaten f{\"u}r eine genaue Positionsbestimmung eines Rover, z.B. eines UAV w{\"a}hrend der Post-Missionsanalyse.}, subject = {Micro Air Vehicle}, language = {en} } @inproceedings{AliMontenegro2015, author = {Ali, Qasim and Montenegro, Sergio}, title = {A Simple Approach to Quadrocopter Formation Flying Test Setup for Education and Development}, series = {INTED2015 Proceedings}, booktitle = {INTED2015 Proceedings}, publisher = {International Academy of Technology, Education and Development (IATED)}, isbn = {978-84-606-5763-7}, issn = {2340-1079}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-114495}, pages = {2776 -- 2784}, year = {2015}, abstract = {A simple test setup has been developed at Institute of Aerospace Information Technology, University of W{\"u}rzburg, Germany to realize basic functionalities for formation flight of quadrocopters. The test environment is planned to be utilized for developing and validating the algorithms for formation flying capability in real environment as well as for education purpose. An already existing test bed for single quadrocopter was extended with necessary inter-communication and distributed control mechanism to test the algorithms for formation flights in 2 degrees of freedom (roll / pitch). This study encompasses the domain of communication, control engineering and embedded systems programming. Bluetooth protocol has been used for inter-communication between two quadrocopters. A simple approach of PID control in combination with Kalman filter has been exploited. MATLAB Instrument Control Toolbox has been used for data display, plotting and analysis. Plots can be drawn in real-time and received information can also be stored in the form of files for later use and analysis. The test setup has been developed indigenously and at considerably low cost. Emphasis has been placed on simplicity to facilitate students learning process. Several lessons have been learnt during the course of development of this setup. Proposed setup is quite flexible that can be modified as per changing requirements.}, subject = {Flugk{\"o}rper}, language = {en} } @article{MontenegroAliGageik2014, author = {Montenegro, Sergio and Ali, Qasim and Gageik, Nils}, title = {A review on Distributed Control of Cooperating MINI UAVs}, doi = {10.5121/ijaia.2014.5401}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-113009}, year = {2014}, abstract = {Mini Unmanned Aerial Vehicles (MUAVs) are becoming popular research platform and drawing considerable attention, particularly during the last decade due to their multi-dimensional applications in almost every walk of life. MUAVs range from simple toys found at electronic supermarkets for entertainment purpose to highly sophisticated commercial platforms performing novel assignments like offshore wind power station inspection and 3D modelling of buildings. This paper presents an overview of the main aspects in the domain of distributed control of cooperating MUAVs to facilitate the potential users in this fascinating field. Furthermore it gives an overview on state of the art in MUAV technologies e.g. Photonic Mixer Devices (PMD) camera, distributed control methods and on-going work and challenges, which is the motivation for many researchers all over the world to work in this field.}, language = {en} }