Stabilizing Stochastic Predictive Control under Bernoulli Dropouts

This article presents tractable and recursively feasible optimization-based controllers for stochastic linear systems with bounded controls. The stochastic noise in the plant is assumed to be additive, zero mean and fourth moment bounded, and the control values transmitted over an erasure channel. Three different transmission protocols are proposed having different requirements on the storage and computational facilities available at the actuator. We optimize a suitable stochastic cost function accounting for the effects of both the stochastic noise and the packet dropouts over affine saturated disturbance feedback policies. The proposed controllers ensure mean square boundedness of the states in closed-loop for all positive values of control bounds and any non-zero probability of successful transmission over a noisy control channel

Distributed Greedy Sensor Scheduling for Model-based Reconstruction of Space-Time Continuous Physical Phenomena

A novel distributed sensor scheduling method for large-scale sensor networks observing space-time continuous physical phenomena is introduced. In a first step, the model of the distributed phenomenon is spatially and temporally decomposed leading to a linear probabilistic finite-dimensional model. Based on this representation, the information gain of sensor measurements is evaluated by means of the so-called covariance reduction function. For this reward function, it is shown that the performance of the greedy sensor scheduling is at least half that of the optimal scheduling considering long-term effects. This finding is the key for distributed sensor scheduling, where a central processing unit or fusion center is unnecessary, and thus, scaling as well as reliability is ensured. Hence, greedy scheduling in combination with a proposed hierarchical communication scheme requires only local sensor information and communication

A Distributed ADMM Approach to Non-Myopic Path Planning for Multi-Target Tracking

This paper investigates non-myopic path planning of mobile sensors for multi-target tracking. Such problem has posed a high computational complexity issue and/or the necessity of high-level decision making. Existing works tackle these issues by heuristically assigning targets to each sensing agent and solving the split problem for each agent. However, such heuristic methods reduce the target estimation performance in the absence of considering the changes of target state estimation along time. In this work, we detour the task-assignment problem by reformulating the general non-myopic planning problem to a distributed optimization problem with respect to targets. By combining alternating direction method of multipliers (ADMM) and local trajectory optimization method, we solve the problem and induce consensus (i.e., high-level decisions) automatically among the targets. In addition, we propose a modified receding-horizon control (RHC) scheme and edge-cutting method for efficient real-time operation. The proposed algorithm is validated through simulations in various scenarios.Comment: Copyright 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other work

UAV Optimal Cooperative Obstacle Avoidance and Target Tracking in Dynamic Stochastic Environments

Cette thèse propose une stratégie de contrôle avancée pour guider une flotte d'aéronefs sans pilote (UAV) dans un environnement à la fois stochastique et dynamique. Pour ce faire, un simulateur de vol 3D a été développé avec MATLAB® pour tester les algorithmes de la stratégie de guidage en fonctions de différents scénarios. L'objectif des missions simulées est de s'assurer que chaque UAV intercepte une cible ellipsoïdale mobile tout en évitant une panoplie d'obstacles ellipsoïdaux mobiles détectés en route. Les UAVs situés à l'intérieur des limites de communication peuvent coopérer afin d'améliorer leurs performances au cours de la mission. Le simulateur a été conçu de façon à ce que les UAV soient dotés de capteurs et d'appareils de communication de portée limitée. De plus, chaque UAV possède un pilote automatique qui stabilise l'aéronef en vol et un planificateur de trajectoires qui génère les commandes à envoyer au pilote automatique. Au coeur du planificateur de trajectoires se trouve un contrôleur prédictif à horizon fuyant qui détermine les commandes à envoyer à l'UAV. Ces commandes optimisent un critère de performance assujetti à des contraintes. Le critère de performance est conçu de sorte que les UAV atteignent les objectifs de la mission, alors que les contraintes assurent que les commandes générées adhèrent aux limites de manoeuvrabilité de l'aéronef. La planification de trajectoires pour UAV opérant dans un environnement dynamique et stochastique dépend fortement des déplacements anticipés des objets (obstacle, cible). Un filtre de Kalman étendu est donc utilisé pour prédire les trajectoires les plus probables des objets à partir de leurs états estimés. Des stratégies de poursuite et d'évitement ont aussi été développées en fonction des trajectoires prédites des objets détectés. Pour des raisons de sécurité, la conception de stratégies d'évitement de collision à la fois efficaces et robustes est primordiale au guidage d'UAV. Une nouvelle stratégie d'évitement d'obstacles par approche probabiliste a donc été développée. La méthode cherche à minimiser la probabilité de collision entre l'UAV et tous ses obstacles détectés sur l'horizon de prédiction, tout en s'assurant que, à chaque pas de prédiction, la probabilité de collision entre l'UAV et chacun de ses obstacles détectés ne surpasse pas un seuil prescrit. Des simulations sont présentées au cours de cette thèse pour démontrer l'efficacité des algorithmes proposés

Bibliographic Review on Distributed Kalman Filtering

In recent years, a compelling need has arisen to understand the effects of distributed information structures on estimation and filtering. In this paper, a bibliographical review on distributed Kalman filtering (DKF) is provided.\ud The paper contains a classification of different approaches and methods involved to DKF. The applications of DKF are also discussed and explained separately. A comparison of different approaches is briefly carried out. Focuses on the contemporary research are also addressed with emphasis on the practical applications of the techniques. An exhaustive list of publications, linked directly or indirectly to DKF in the open literature, is compiled to provide an overall picture of different developing aspects of this area