Multi-Drone Persistent Area Coverage With Energy-Aware Flight Control and Planning. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Khaled_Surur_Thesis_Final.pdf Restricted to Repository staff only until 13 August 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

تهدف هذه الأطروحة إلى إجراء أبحاث متقدمة في أنظمة المركبات الجوية غير المأهولة وتخطيط المهام التي تراعي الطاقة بهدف معالجة مشكلة موارد الطاقة المحدودة لطائرات بدون طيار في العمليات طويلة الأجل. يقترح البحث أدوات نظرية وحسابية للتحكم في أسطول من الطائرات بدون طيار التي تنفذ مهام تغطية منطقة بشكل مستديم باستخدام تقنيات الطيران المستمر. يعتمد نهج الطيران المستمر على طريقة تجديد الطاقة المستمرة حيث يتم تبديل طائرة بدون طيار مستنفدة الطاقة بشكل دوري بطائرة بدون طيار مشحونة بالكامل قادمة من محطة شحن لاستكمال مهام التغطية. هدف رئيسي في هذا البحث هو إدارة التشغيل المستمر لنظام مكون من عدة طائرات بدون طيار مع الحفاظ على التحكم في الطيران وأداء التغطية. في هذا البحث، يتم تنفيذ مهمة التغطية بواسطة مسيرات رباعية المراوح تم نمذجتها باستخدام معادلات رياضية غير خطية. يتضمن نموذج هذه الطائرة أيضًا نماذج الطاقة وسعة البطارية. استخدم مخطط التحكم PID كجهاز تحكم في الطيران للحفاظ على الاستقرار وتتبع المرجع. يتم تحديد سيناريو التغطية رسميًا، ويتم تقديم تقنية النشر استنادًا إلى خوارزمية لويد. استخدم عملية اتخاذ القرار ماركوف MDP كتقنية صنع قرار لإدارة تصرفات المسيرات الممثلة كنموذج حالة محدودة أثناء عمليات التغطية. بالإضافة إلى ذلك، تم تطوير خوارزمية تعيين أوقات الشحن الكهربائي لإدارة دورة التغطية والشحن أثناء عملية التغطية المستمرة باستخدام الجدولة القائمة على الأحداث. قيّم فعالية الإطار المصمم في عمليات المحاكاة الرقمية أولا ًباستخدام نماذج الحالة المحدودة ثم تم تطبيقها لاحقا إلى حالة الوقت الحقيقي. تمت مقارنة تصميم البحث بالطرق الحديثة متمثلاً على قدرة التصميم المقترح على دمج التحكم والتخطيط لأداء عمليات تغطية المنطقة المستمرة وقدرته على التكيف مع حالات التغطية الديناميكية.

English Abstract

This thesis targets advanced research in unmanned aerial vehicle (UAV) systems and energy-aware mission planning aiming to tackle the issue of limited energy resources in UAVs on long-term operations. The research proposes theoretical and computational tools to control a fleet of UAVs that performs perpetual area coverage missions using persistent flight techniques. The persistent flight approach is based on continuous energy replenishment method in which an energy-depleted drone is cyclically swapped with a fully charged drone coming from a charging station to carry on coverage tasks. A key aim in this research is to manage the multi-UAV system's persistent operation while maintaining both flight control and coverage performance. In this research, coverage mission is performed by quadrotor UAVs modeled by nonlinear mathematical equations. The physical quadrotor model also includes energy and battery capacity models. PID control scheme is utilized as a flight controller for maintaining stability and reference tracking. The coverage scenario is formally defined, and a deployment technique is introduced based on Lloyd algorithm. Markov decision process (MDP) is utilized as a decision-making technique to manage the drone’s actions represented as a finite-state model during the coverage operations. In addition, a charging assignment algorithm is developed that manages the survey-charge cycle in a persistent coverage operation using event-based scheduling. The effectiveness of the developed framework is evaluated in numerical simulations first with finite-state models and later extended to the real-time case. The design of the research is compared to recent approaches, showing the proposed framework’s capability of integrating control and planning to perform persistent area coverage operation and its adaptability to dynamic coverage cases.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Engineering
Department:	College of Engineering and Physics > Control and Instrumentation Engineering
Committee Advisor:	Nasir, Ali
Committee Members:	Al-Dhaifallah, Mujahed and El-Ferik, Sami
Depositing User:	KHALED SURUR (g201156370)
Date Deposited:	14 Aug 2025 08:41
Last Modified:	14 Aug 2025 08:41
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143660