REAL-TIME IMPLEMENTATION OF SWARM AUTONOMOUS NAVIGATION AND CONTROL WITH OBSTACLE AVOIDANCE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) Final Report for EPrints.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 28 December 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

تُعدّ الملاحة الذاتية الآمنة لفرقٍ من الطائرات بدون طيار متعددة المركبات (Multi-UAV) في البيئات المزدحمة تحديًا كبيرًا بسبب محدودية الاستشعار على متن الطائرة، وقيود التفعيل (actuation)، وتأخيرات الاتصال أو قيود عرض النطاق التي تُضعِف التنسيق بين المركبات. تُقدِّم هذه الأطروحة إطارًا آنيًا (Real-time) للملاحة والتنسيق الحرجين للسلامة لسربٍ صغير من الطائرات الرباعية يعمل في بيئات شبيهة بالممرات. يعتمد النهج على برنامج تربيعي (QP) من نوع CLF-CBF “بأقل تدخل ممكن” كمرشِّح سلامة: إذ تُتَبَّع مراجع السرعة الاسمية عندما تكون ممكنة، وإلا تُعدَّل هذه المراجع بحيث تُلبّي قيود تجنّب العوائق والحفاظ على مسافات الفصل بين المركبات. ولأخذ عدم يقين حساس العمق وتدهور الرؤية في الحسبان، تُشدَّد قيود الحواجز الخاصة بالعوائق عبر هامش توزيعي متين (Distributionally Robust, DR) مُعايَر تجريبيًا. كما تُزاد قيود السلامة بين المركبات للتخفيف من أثر تأخير معلومات حالة الجيران. ولتقليل الاعتماد على البث المتكرر لحالات الأقران، يُقترح أسلوب تنسيق مُحفَّز بالأحداث قائم على المُتنبِّئ: حيث لا يقوم التابعون بتحديث حالات الجيران إلا عندما يتجاوز خطأ التنبؤ حدًا معلومًا، بينما تُستكمَل حالات الجيران بين الأحداث باستخدام متنبئ بسرعة ثابتة. تم تنفيذ الإطار ضمن منظومة موحّدة “برمجيات ضمن الحلقة” باستخدام AirSim/Unreal Engine وPX4 SITL مع متحكمات offboard لا مركزية لثلاث طائرات بدون طيار. تُظهر نتائج المحاكاة عبر عدة سيناريوهات للمهام الحفاظ على خلوص ثابت عن العوائق مقارنةً بالحدّ المشدَّد وفق DR، مع الحفاظ على مسافات الفصل بين المركبات ضمن قيود حسابية آنية، حيث كانت أزمنة حل الـQP في حدود بضع ميلي ثانية ضمن فترة تحكم آنية. وبالمقارنة مع تحديثات الأقران الدورية، تُخفّض استراتيجية التحفيز بالأحداث الحمل المنطقي المُقدَّر للاتصالات بنحو (70%) مع الحفاظ على التشغيل الآمن. كما تُبيّن سيناريوهات المتانة استمرار التشغيل الآمن وإعادة التشكيل اللامركزي عند انقسام السرب، واستمرار تنفيذ المهمة عند فشل أحد الأقران.

English Abstract

Safe autonomous navigation for multi-UAV teams in cluttered environments is challenging due to limited onboard sensing, actuation constraints, and communication delays or bandwidth limits that degrade coordination. This thesis presents a real-time safety-critical navigation and coordination framework for a small quadrotor swarm operating in corridor-like environments. The approach uses a minimally invasive CLF-CBF quadratic program (QP) as a safety filter: nominal velocity references are tracked when feasible, and otherwise are modified to satisfy obstacle-avoidance and inter-agent separation constraints. To account for depth-sensor uncertainty and visibility degradation, obstacle barrier constraints are tightened using an empirically calibrated distributionally robust (DR) margin. Inter-agent safety constraints are further inflated to mitigate the effect of peer-state delay. To reduce dependence on frequent peer broadcasts, a predictor-based event-triggered coordination mechanism is introduced: followers refresh peer states only when a bounded prediction-error threshold is exceeded, while between events neighbor states are propagated by a constant-velocity predictor. The framework is implemented in a unified software-in-the-loop stack using AirSim/Unreal Engine and PX4 SITL with decentralized offboard controllers for three UAVs. Simulation results across multiple mission scenarios show consistent obstacle clearance relative to the DR-tightened boundary and maintained inter-agent separation under real-time computational limits, with QP solve times on the order of a few milliseconds within a realtime control period. Compared to periodic peer updates, the event-triggered strategy reduces the estimated logical communication load by approximately 70% while preserving safe operation. Robustness scenarios further demonstrate safe decentralized reconfiguration under swarm splitting and continued mission execution under peer failure.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Computer Systems Engineering Aerospace
Department:	College of Engineering and Physics > Control and Instrumentation Engineering
Committee Advisor:	Elferik, Dr. Sami
Committee Members:	Mysorewala, Dr. Muhammad Faizan and Abdulrab Al Yazidi, Dr. Nezar Mohammed
Depositing User:	NOMAN BASHIR (g202315390)
Date Deposited:	28 Dec 2025 11:56
Last Modified:	28 Dec 2025 11:56
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143909