Digitala Vetenskapliga Arkivet

Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Cooperative Multi-Vehicle Circumnavigation and Tracking of a Mobile Target
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), Intelligent systems, Decision and Control Systems (Automatic Control). (NetCon)ORCID iD: 0000-0002-0431-3667
2020 (English)Licentiate thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

A multi-vehicle system is composed of interconnected vehicles coordinated to complete a certain task. When controlling such systems, the aim is to obtain a coordinated behaviour through local interactions among vehicles and the surrounding environment.One motivating application is the monitoring of algal blooms; this phenomenon occurs frequently and has a substantial negative effect on the environment such as large-scale mortality of fish. In this thesis, we investigate control of multiple unmanned surface vehicles (USVs) for mobile target circumnavigation and tracking, where the target can be an algal bloom area.A protocol based on local measurements provided by the vehicles is developed to estimate the target's location and shape.Then a control strategy is derived that brings the vehicle system to the target while forming a regular polygon.

More precisely, we first consider the problem of tracking a mobile target while circumnavigating it with multiple USVs. A satellite image indicates the initial location of the target, which is supposed to have an irregular dynamic shape well approximated by a circle with moving center and varying radius. Each USV is capable of measuring its distance to the boundary of the target and to its center. We design an adaptive protocol to estimate the circle's parameters based on the local measurements. A control protocol then brings the vehicles towards the target boundary as well as spreads them equidistantly along the boundary. The protocols are proved to converge to the desired state. Simulated examples illustrate the performance of the closed-loop system.

Secondly, we assume that the vehicles can only measure the distance to the boundary of the target and not to its center. We propose a decentralised least-squares method for target estimation suitable for circular targets. Convergence proofs are given for also this case. An example using simulated algal bloom data shows that the method works well under realistic settings.

Finally, we investigate how to extend our protocols to a quite general irregular mobile target. In this case, each vehicle communicates only with its two nearest neighbors and estimates the curvature of the target boundary using their collective measurements. We validate the performance of the protocol under various settings and target shapes through a numerical study.

Abstract [sv]

Multi-fordon-styrsystem består av sammankopplade fordon som koordinerar för att slutföra en given uppgift. I sådana styrsystem är målet att få ett koordinerat beteende via lokala interaktioner mellan fordonen och miljön de vistas i.

Ett motiverande exempel är övervakning av algblomning, ett fenomen som inträffar frekvent och har omfattande negativa effekter såsom kraftig mortalitet hos fiskar.

I denna rapport undersöker vi hur Unmanned Surface Vehicles (USVs) kan styras för att cirkulera och spåra ett givet mobilt objekt, till exempel en yta med algblomning.

Ett protokoll är utvecklat för att estimera det mobila objektets position och form, baserat på lokala mätningar utförda av fordonen, samt en reglerstrategi tas fram som styr systemet med fordon till objektet samtidigt som de formar en regelbunden polygon.

 

Mer precist undersöker vi först problemet att samtidigt spåra och cirkulera ett mobilt objekt med USVs. En satellitbild indikerar startpositionen av objektet, antaget att ha en irreguljär tidsvarierande form som kan approximeras väl av en cirkel med tidsberoende center och radie. Varje USV kan mäta avståndet till objektets rand och center.

Vi designar ett adaptivt protokoll för att estimera cirkelns parametrar baserat på lokala mätningar. Ett reglerprotokoll styr sedan fordonen mot objektets rand samt sprider ut dem ekvidistant kring randen. Vi bevisar att protokollen konvergerar mot önskat tillstånd. Två simuleringar visar det slutna systemets prestanda.

 

Sedan antar vi att fordonen endast kan mäta avståndet till randen på objektet, men inte tills dess center. Vi tar fram en decentraliserad minstakvadratmetod för att estimera objektet, lämpligt för cirkulära objekt. Konvergens bevisas även i detta fall. Ett exempel med data från en simulerad algblomning visar att metoden fungerar bra under realistiska scenarion.

 

Slutligen undersöker vi hur protokollen kan vidareutvecklas för mobila objekt med tämligen generella irreguljära former. I detta fall antar vi att fordonen endast kan kommunicera med sina två närmaste grannar och estimera kurvan för objektets rand från deras samlade mätningar. Vi validerar protokollen via två simuleringar.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm, Sweden: Kungliga Tekniska högskolan, 2020. , p. 74
Series
TRITA-EECS-AVL ; TRITA-EECS-AVL-2020:14
Keywords [en]
Circumnavigation, target tracking, multi-vehicles, control, estimaion
National Category
Control Engineering
Research subject
Electrical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-268079ISBN: 978-91-7873-446-7 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-268079DiVA, id: diva2:1393638
Presentation
2020-03-13, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20200217

Available from: 2020-02-17 Created: 2020-02-17 Last updated: 2022-06-26Bibliographically approved

Open Access in DiVA

LicentiateJoana(6040 kB)397 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 6040 kBChecksum SHA-512
15faa944c8485fdfe2cfeb96f05c195ef5a574bac4e29cafede4758f43a9f53e778c86e7bbe009687f207a7ee3ccbb641eaca09e967f464bcd5fddad0e5c64bc
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Gouveia Fonseca, Joana Filipa
By organisation
Decision and Control Systems (Automatic Control)
Control Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 397 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 2183 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf