Advanced Robust and Intelligent Control for UAV Systems. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Abdullah_Abushokor_new_Master_Thesis_g202320370.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 26 December 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الرسالة تطوير استراتيجيات تحكم سريعة، متينة، وذات كفاءة عالية في استغلال قنوات الاتصال للمركبات الجوية غير المأهولة (UAVs) ولأنظمة التشكيل التعاوني متعددة المركبات الجوية غير المأهولة، العاملة في ظل ديناميكيات لاخطية غير معروفة، واضطرابات خارجية، وشبكات اتصال مقيدة أو معرّضة لهجمات عدائية. تُنظَّم هذه الرسالة في جزأين رئيسين: يقدّم الجزء الأول طريقتين متينتين لتتبع المسار لمركبة جوية واحدة، بينما يقدّم الجزء الثاني طريقتين موزعتين للتحكم في تتبع مسار تشكيل تعاوني لمجموعة من المركبات الجوية غير المأهولة. الإطار المركزي للتحكم في الطرق الأربع كافة هو منهج متقدّم لمتحكم الانزلاق ذي الطرف غير الشاذ بزمن استقرار نهائي وبأسٍّ متغيّر (NSTSMC)، حيث يتغيّر مقدار الأس تبعاً لحالة النظام، مما يحقق زمناً أسرع للتقارب مع خفض في جهد التحكم. في الطريقة الأولى، يُقترَح متحكم NSTSMC بزمن استقرار ثابت (Fixed-Time) مع مكاسب تبديل ثابتة، وتُضبط معاملات التحكم باستخدام خوارزمية الجيب وجيب التمام (Sine-Cosine Algorithm). يحقق هذا التصميم تقارباً أسرع، وتخفيفاً في ظاهرة الاهتزاز (Chattering)، وخفضاً في جهد التحكم، لكنه يعتمد على افتراض معرفة حدٍّ معلوم للاضطراب. ولمعالجة هذا القيد، تُقدَّم في الطريقة الثانية مكاسب تبديل تكيّفية، مما يعزّز متانة النظام في مواجهة اللايقين المتغيّر مع الزمن، مع الإبقاء على خاصية الاستقرار العملي بزمن ثابت. بعد ذلك، تمتد الطريقة الثالثة بهذا الإطار من متحكم NSTSMC إلى تحكم التشكيل متعدد المركبات عبر سياسة اتصالات مُطلقة بالحدث (Event-Triggered) تعتمد على الحالة، بحيث لا تُرسَل حالات الجيران إلا عند الضرورة، وبذلك تُخفَّض أعباء الاتصال دون الإخلال بالاستقرار. أما الطريقة الرابعة، فتُعزِّز قدرة النظام على الصمود أمام هجمات حجب الخدمة (DoS) من خلال نمذجة انقطاع الاتصال على هيئة فترات تعاقب بين التفعيل والتعطيل، مع الاحتفاظ بآخر معلومات متاحة عن حالات الجيران أثناء الانقطاع، واستخدام شبكة عصبية تكيّفية من نوع الدالة الأساس الشعاعية (RBFNN) لتقريب وتعويض اللاخطيات المجهولة في الزمن الحقيقي. تُبرهِن تحليلات الاستقرار القائمة على دوال لوباونوف على تحقق خاصية الاستقرار العملي بزمن ثابت في جميع الخوارزميات المقترحة، بما يضمن تقارب أخطاء التتبع ضمن حدود صريحة خلال زمن محدد لا يعتمد على شروط البدء الابتدائية. وتُظهر نتائج المحاكاة المصحوبة بدراسات مقارنة، في حالتي المركبة الواحدة والتشكيل المتعدد، قدرة عالية على تتبع المسار المرجعي، وإشارات تحكم سلسة ومحدودة، وتحسناً في كفاءة استهلاك الطاقة، ومتانة قوية أمام الاضطرابات ولايقين النمذجة، وتقليصاً لمتطلبات الاتصال، وأداءً موثوقاً في ظل هجمات حجب الخدمة. وبصورة عامة، تقدّم هذه الرسالة إطاراً موحَّداً ومرناً للتحكم عالي الأداء بزمن ثابت في الأنظمة التعاونية للمركبات الجوية غير المأهولة.

English Abstract

This thesis presents fast, robust, and communication-efficient control strategies for unmanned aerial vehicles (UAVs) and cooperative multi-UAV formation systems operating under unknown nonlinear dynamics, external disturbances, and constrained or adversarial communication networks. The work is organized into two main parts: the first develops two robust trajectory-tracking control schemes for a single UAV, while the second introduces two distributed control schemes for the multi-UAV formation trajectory tracking. The central control framework across all four methods is a newly developed variable-exponent nonsingular terminal sliding mode control (NSTSMC) approach, in which the exponent value varies with the system state, leading to faster convergence and reduced control effort. In the first method, a fixed-time NSTSMC is proposed with constant switching gains, where control parameters are optimized using the Sine-Cosine Algorithm. This design achieves faster convergence, reduced chattering, and lower control effort, but relies on the assumption of a known disturbance bound. To address this limitation, the second method introduces adaptive switching gains, enhancing robustness against time-varying uncertainties while preserving practical fixed-time stability. The third method extends the NSTSMC framework to multi-UAV formation control through a state-based event-triggered communication policy that transmits neighbor-state information only when necessary, thereby reducing communication load without compromising stability. Finally, the fourth method enhances system resilience against Denial-of-Service (DoS) attacks by modeling on-off communication failures, retaining the most recent neighbor information during outages, and employing an adaptive radial basis function neural network (RBFNN) to approximate and compensate for unknown nonlinearities in real-time. Lyapunov-based stability analyses ensure the practical fixed-time stability of all proposed schemes, guaranteeing that tracking errors converge within explicit bounds in a fixed time independent of initial conditions. Simulation results with comparative studies for both single and multi-UAV scenarios demonstrate accurate trajectory tracking, smooth and bounded control inputs, improved energy efficiency, enhanced robustness to disturbances and model uncertainties, reduced communication demand, and reliable performance under DoS attacks. Overall, the thesis provides a unified and resilient framework for high-performance, fixed-time control of cooperative UAV systems.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Aerospace Electrical Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Control and Instrumentation Engineering
Committee Advisor:	Amrr, Syed Muhammad
Committee Members:	Habib, Salman and Khan, Bilal
Depositing User:	ABDULLAH ABUSHOKOR (g202320370)
Date Deposited:	28 Dec 2025 06:35
Last Modified:	28 Dec 2025 06:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143894