Please use this identifier to cite or link to this item:
https://hdl.handle.net/10216/166534| Author(s): | Huu Thien Nguyen |
| Title: | Optimization-Based Control Design for Challenging Maneuvers in Nonholonomic Vehicles |
| Issue Date: | 2025-03-27 |
| Abstract: | The thesis explores a diverse range of nonholonomic vehicles and addresses the challenging maneuvers pertaining to their control. The concerned nonholonomic systems span from hybrid Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), fixed-wing UAVs, multicopters, drifting mobile robots, to in-wheel motor vehicles. Each of these systems presents unique challenges due to its dynamical constraints, making them compelling test beds for advanced control techniques. Starting from the modeling aspect, we obtain motions for these vehicles executing the challenging maneuvers using optimization-based techniques, namely optimal control and Nonlinear Model Predictive Control (NMPC). The thesis proposes contributions across various applications. Each solution is tailored to the specific dynamics and constraints of each system, pushing the boundaries of what can be achieved with optimal control and NMPC in these areas. In the thesis, we first provide an extensive review of hierarchical control architecture and analyze the critical transition phase between modes of operation of hybrid UAVs. Next, a deep-stall maneuver ending and concatenating with a perching maneuver is proposed, demonstrating a novel approach to recover a fixed-wing UAV. After that, we further design a semi-globally asymptotically stable NMPC for a hovering problem of a multicopter, which addresses stability challenges while ensuring performance. Moving on, we develop a stabilizing NMPC scheme with terminal ingredients tailored to the complexities of maintaining stability for a drifting mobile robot. In the end, we tackle the problem of a double lane change maneuver, a benchmark problem for four in-wheel-motor vehicles, with an optimal control framework that ensures both safety and performance. Comprehensive simulation results demonstrate the effectiveness of the optimization-based techniques employed and also provide insights into their potential implementation in realworld scenarios. |
| Description: | Esta tese explora uma gama diversificada de veículos não-holonómicos e aborda as manobras desafiantes relacionadas com o seu controlo. Os sistemas não-holonómicos analisados abrangem Veículos Aéreos Não Tripulados (UAVs) híbridos, UAVs de asa fixa, multicópteros, robôs móveis com deriva e veículos com motores nas quatro rodas. Cada um destes sistemas apresenta desafios únicos devido às suas restrições dinâmicas, tornando-os plataformas interessantes para o teste de técnicas avançadas de controlo. Começando pela modelação, são obtidos movimentos para estes veículos quando executam manobras desafiantes através de técnicas de controlo baseadas em otimização, nomeadamente controlo ótimo e controlo preditivo não linear (NMPC). A tese propõe contribuições em várias aplicações, com cada solução adaptada às dinâmicas e restrições específicas de cada sistema, expandindo os limites do que pode ser alcançado com controlo ótimo e NMPC nestes domínios. Inicialmente, a tese fornece uma revisão abrangente da arquitetura de controlo hierárquico e analisa a fase crítica de transição entre os modos de operação dos UAVs híbridos. Em seguida, é proposta uma manobra de perda de sustentação profunda que termina e se concatena com uma manobra de pouso, demonstrando uma abordagem inovadora para recuperar um UAV de asa fixa. Posteriormente, é desenhado um NMPC semi-globalmente e assintoticamente estável para o problema de voo estacionário de um multicóptero, abordando os desafios de estabilidade enquanto garante desempenho. Em seguida, é desenvolvido um esquema NMPC estabilizador com elementos terminais adaptados às complexidades de manter a estabilidade de um robô móvel com deriva. Por fim, é abordado um problema de referência da manobra de mudança de faixa dupla para veículos com motores nas quatro rodas, utilizando uma estrutura de controlo ótimo que assegura tanto a segurança como o desempenho. São apresentados resultados de simulação abrangentes que demonstram a eficácia das técnicas baseadas em otimização utilizadas e fornecem também informações sobre o seu potencial de implementação em cenários reais. |
| Subject: | Matemática Mathematics |
| Scientific areas: | Ciências exactas e naturais::Matemática Natural sciences::Mathematics |
| DOI: | 10.34626/798x-6h32 |
| TID identifier: | 101681470 |
| URI: | https://hdl.handle.net/10216/166534 |
| Document Type: | Tese |
| Rights: | openAccess |
| Appears in Collections: | FCUP - Tese |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| 720629.pdf | Optimization-Based Control Design for Challenging Maneuvers in Nonholonomic Vehicles | 39 MB | Adobe PDF | ![]() View/Open |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
