Bearing-only Formation Control of multiple UAVs with an NMPC approach: architectures and methodologies

One of the major fields of development and innovation in our century concerns mobile robotics, particularly the study of multi-agent system coordination. This type of technol- ogy can be employed in natural disaster scenarios or critical situations where multi-agent systems can perform search and rescue missions or environmental monitoring. In this field, autonomous ground vehicles (UGVs) and unmanned aerial vehicles (UAVs) are used, which can cooperate with each other. Outdoor environments pose various challenges, and one of these challenges can be the lack of access to GPS network. For this reason, control laws that do not rely on GPS information are studied, such as ”bearing-only formation control,” where agents only perceive relative angles between each other, which can be calculated using a simple 2D camera. The purpose of this thesis work is to explore the theory of bearing rigidity applied to forma- tions of homogeneous agents, specifically quadcopters, using Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) with MATMPC. The thesis aims to explore the differences between dif- ferent architectures, particularly by implementing a centralized architecture and laying the groundwork for a possible development of a decentralized architecture. The work demon- strates how to create the model for NMPC with various agent model variants,different cost functions, and different formations. ROS2 is used for the implementation of the entire control ecosystem, and the PX4 platform is used, which provides an excellent low-level control architecture for managing individual quadcopters. Additionally, the thesis utilizes the PX4 Software In The Loop (SITL) system to make Gazebo simulations as close to reality as possible.

Uno dei maggior campi di sviluppo e d’innovazione nel nostro secolo riguarda l’ambito della robotica mobile in particolare lo studio del coordinamento di sistemi multi agenti. Questo tipo di tecnologia permette di essere impiegata in ambiti di calamità naturali o situazioni critiche dove i sistemi multi agenti posso operare missioni di search and rescue o monitoraggio ambientale. In campo vengono impiegati veicoli terrestri autonomi UGV (Unmanned Ground Vehicle) e veicoli aerei autonomi UAV(Unmanned Aerial Vehicle) che possono cooperare tra di loro. Gli ambienti esterni presentano diverse problematiche e una di queste può essere la mancanza di accesso alla rete GPS. Per tale motivo si studiano leggi di controllo che non impiegano questo tipo di informazioni come bearing-only formation control dove gli agenti rilevano tra di loro solo angoli relativi, i quali possono essere calcolati tramite una semplice camera 2D. Questo lavoro di tesi ha lo scopo di esplorare la teoria della bearing rigidity applicata a formazioni di agenti omogenei nello specifico quadricotteri sfruttando la tecnologia NMPC con MATMPC. La tesi va ad esplorare le differenze delle diverse architetture in particolare va ad implementare una architettura centralizzata e mette giù le basi per un possibile sviluppo di un’architettura decentralizzata. Il lavoro mostra come è creare il modello per NMPC con diverse varianti del modello dell’agente (come è stato modellizzato), diversi funzionali di costo e diverse formazioni. Per l’implementazione viene usato ROS2 per lo sviluppo dell’intero ecosistema di controllo e viene usata la piattaforma PX4 che mette a disposizione un ottima architettura di controllo a basso livello per la gestione del singolo quadricottero. Inoltre la tesi usa il sistema SITL(Software In The Loop) di PX4 per rendere le simulazioni di Gazebo il più vicine alla realtà.