Στην προκειμένη εργασία μελετάται όλο το θεωρητικό υπόβαθρο για τον προβλεπτικό έλεγχο για τις δύο κατηγορίες συστημάτων (Single Input-Single Output SISO, Multiple Input-Multiple Output MIMO). Αρχικά μελετάται η πρώτη μορφή προβλεπτικού ελέγχου που ήταν ο δυναμικός έλεγχος μητρών (DMC). Στην συνέχεια ακολουθεί το πρόβλημα του βέλτιστου προβλεπτικού ελέγχου διακριτού χρόνου όπως αυτό παρουσιάζεται και αναλύεται στην θεωρία του κ. Μaciejowski. Αμέσως μετά μελετάται πάλι το πρόβλημα εύρεσης βέλτιστου προβλεπτικού ελέγχου διακριτού χρόνου αλλά με την χρησιμοποίηση των διακριτών ορθοκανονικών συναρτήσεων βάσης Laguerre όπως αναλύεται από τον κ. Wang στο βιβλίο του. Στις δύο επόμενες ενότητες παρουσιάζονται οι ορθοκανονικές συναρτήσεις βάσης Laguerre συνεχούς χρόνους καθώς και μια άλλη κατηγορία, οι συναρτήσεις Κautz και αναλύεται ο τρόπος που υπολογίζεται ο προβλεπτικός έλεγχος συνεχούς χρόνου με τη χρήση αυτών. Αφού ο αναγνώστης αποκτήσει τις γνώσεις που χρειάζονται πάνω στον προβλεπτικό έλεγχο, ακολουθεί μια πρακτική εφαρμογή πάνω σε ένα ελικόπτερο 2 βαθμών ελευθερίας της Quanser. Εκεί αρχικά αφού περιγραφεί πλήρως η διάταξη μελετάμε τα προβλήματα ελέγχου πρώτα με Pole Placement στην συνέχεια με LQR καθώς και με την χρησιμοποίηση εκτιμητών κατάστασης όπως κάποιο παρατηρητή (observer) ή φίλτρο Kalman πάντα με τη βοήθεια του Μatlab και του Simulink. Επίσης όλη η θεωρία του ΜPC που μελετήσαμε έχει εφαρμοσθεί επιτυχώς σε προσομοίωση στο Μatlab και Simulink. Παρουσιάζονται ο κώδικας που χρειάζεται κάθε φορά καθώς και ενδιαφέροντα αποτέλεσματα για την απόκριση της διεργασίας. Επιπλέον μελετήθηκε το toolbox του Matlab για τον προβλεπτικό έλεγχο (MPC Toolbox). Τέλος οι παραπάνω έλεγχοι εφαρμόσθηκαν κατευθείαν στην πραγματική διεργασία (μη γραμμική) και τα αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά. / This work presents all the necessary theory for the Model Predictive Control for both system categories (Single Input-Single Output SISO, Multiple Input-Multiple Output MIMO). To start, the earliest form of MPC called dynamic matrix control (DMC) is studied. Then the optimal Model Predictive Control for discrete time is analyzed based on the theory that Maciejowski presented. Afterwards the same problem is studied using the discrete time Laguerre orthonormal base functions and the optimal Model Predictive Control is computed as presented in Wang’s theory. In the next two chapters the reader will be guided through the continuous time Laguerre and Kautz orthonormal base functions and how they are used in computing the optimal continuous time Model Predictive Control. Since the reader has acquired all the necessary knowledge about MPC, a practical approach on the Quanser’s two degrees of freedom helicopter follows. Initially, after we have fully described the plant and all its components, we study the control problems using the pole placement and LQR techniques along with state estimators such as observers and Kalman filter, always in the Matlab and Simulink enviroment. Next, the MPC approaches we’ve studied are applied successfully, again using Matlab and Simulink. In every case, all the necessary programs and results are presented in detail. Addionally, the Matlab MPC Toolbox is studied along with its results for the problem. Finally all those controls are applied directly to the real nonlinear plant successfully and the results are discussed.

This thesis addresses the problems of design and control of small cooperative unmanned autonomous quadrotor aerial vehicles. A new approach is proposed, for the modeling of the system’s dynamics using linearized Piecewise AffineModels. The Piecewise Affine dynamic–models cover a large part of the quadrotor’s flight envelope while also taking into account the additive effects of environmental disturbances. The effects of aerodynamic forces and moments were also examined. A small quadrotor is designed and developed that emphasizes in the areas of increased on–board computational capabilities, state estimation and modular connectivity. Based on the translational and rotational system’s dynamics: a) a switching model predictive controller, b) an explicitly solved constrained finite time optimal control strategy, and c) a cascade control scheme comprised of classical Proportional Integral Derivative control scheme augmented with angular acceleration feedback, were designed and experimentally tested in order to achieve trajectory tracking under the presence of wind–gusts. The efficiency of the proposed control methods was verified through extended experimental studies. The final quadrotor design utilizes a powerful control unit, a sensor system that provides state estimation based on inertial sensors, ultrasound sonars, GPS and vision chips, and an efficient actuating system. The research effort extended in the field of unmanned aerial vehicles cooperation. Cooperation strategies were proposed in order to address the problems of: a) Forest Fire Monitoring and b) Unknown Area Exploration and Target Acquisition. The Forest FireMonitoring algorithm is formulated based on consensus systems theory formulated as a spatiotemporal rendezvous problem in between the quadrotors. The Area Exploration and Target Acquisition algorithm is formulated based on market–based approaches. / Η συγκεκριμένη διατριβή καταπιάνεται με τα προβλήματα της σχεδίασης και ελέγχου μικρού μεγέθους συνεργαζόμενων μη επανδρωμένων αεροσκαφών με έμφαση στα συστήματα Κάθετης Απογείωσης και Προσγείωσης και ιδιαίτερα στη συστήματα τύπου Quadrotor. Μια νέα προσέγγιση για την μοντελοποίηση της δυναμικής του συστήματος η οποία βασίζεται στη θεωρία των Piecewise Affine συστημάτων προτείνεται. Η μοντελοποίηση με βάση τη θεωρία των Piecewise Affine συστημάτων καλύπτει ένα μεγάλο μέρος του φακέλου πτήσης του αεροσκάφους καθότι συνυπολογίζει μέρος της μη-γραμμικότητας του συστήματος ενώ παράλληλα δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν τα ιδιαίτερα ανεπτυγμένα εργαλεία του γραμμικού ελέγχου. Αναπτύσσεται νέα πειραματική πλατφόρμα αεροσκάφους τύπου quadrotor η οποία χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερες ικανότητες υπολογιστικής ισχύος, αυτόνομη εκτίμηση κατάστασης, πολλαπλή συνδεσιμότητα και αποδοτικό σύστημα πρόωσης. Η τελική πλατφόρμα quadrotor ελικοπτέρου UPATcopter ενσωματώνει μικρουπολογιστικό σύστημα υψηλών δυνατοτήτων, ειδικά συστήματα εκτίμησης κατάστασης τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους μέρος των οποίων αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής και αποδοτικό υποσύστημα πρόωσης. Τρεις διαφορετικοί νόμοι ελέγχου αναπτύχθηκαν και δοκιμάστηκαν πειραματικά. Αρχικά δοκιμάσθηκε ένας Constrained Finite Time Optimal Controller, ο οποίος υπολογίζεται πολύ-παραμετρικά και συνυπολογίζει την επίδραση των περιορισμών εισόδου και κατάστασης. Ο συγκεκριμένος ελεγκτής υπολογίσθηκε με βάση μια οικογένεια Piecewise Affine αναπαραστάσεων του υποσυστήματος προσανατολισμού και δοκιμάσθηκε επιτυγχάνοντας αποδοτικό έλεγχο του προσανατολισμού του σκάφους. Ακολούθως δοκιμάσθηκε ένας Switching Model Predictive Control βασισμένος στην Piecewise Affine μοντελοποίηση του συστήματος ο οποίος επίσης συνυπολογίζει την επίδραση των περιορισμών του συστήματος και του ρόλου των διαταραχών. Με τη χρήση αυτού του ελεγκτή επιτεύχθηκε έλεγχος προσανατολισμού και θέσης του αεροσκάφους τόσο σε άπνοια όσο και υπό την επίδραση ισχυρών διαταραχών ανέμου. Επιπρόσθετα, δοκιμάσθηκε ελεγκτής βασισμένος στη θεωρία PID ελέγχου επαυξημένος με ανάδραση γωνιακής επιτάχυνσης του συστήματος. Τέλος, η έρευνα επεκτάθηκε και στις στρατηγικές συνεργασίας μη επανδρωμένων αεροσκαφών προτείνοντας δύο αλγόριθμους. Συγκεκριμένα προτάθηκε αλγόριθμος για την αντιμετώπιση των προβλημάτων επιθεώρησης δασικής πυρκαγιάς και αλγόριθμος εξερεύνησης μιας άγνωστης περιοχής από ομάδα ετερογενών αεροσκαφών.