Development of conflict avoidance algorithms for autonomous aircraft: applications in air traffic management

Abstract

This thesis presents a new methodology for the autonomous navigation of aircraft in Air Traffic Management (ATM) applications that relieves human air traffic controllers from the responsibility of conflict detection and resolution (CDR). Thus the increased future air traffic levels can be safely accommodated without CDR becoming a bottleneck.The proposed strategy is based on the Decentralised Navigation Functions methodology, chosen due to its formal conflict avoidance and convergence guarantees, along with its computational efficiency. This thesis builds upon this framework, originally developed for robot navigation, in order to derive a navigation algorithm that complies with the particular kinematics and constraints of aircraft and also takes into account the current practice used in ATM.First, a new way to construct Artificial Potential Fields using Decentralised Navigation Functions is presented, which integrates localised sensing, along with explicit and implicit prioritisation between aircraft. Moreover, the construction of potential fields is generalised to the case of implicitly defined shapes via scalar functions. This generalisation is shown to be very useful in integrating ATM specifications in the potential field construction.Finally, a novel control scheme is proposed, which uses the underlying decentralised potential field to guide each aircraft away from conflicts and eventually to its destination. The feedback control laws have been designed with the 3-D model of motion of aircraft in mind and take into account specific constraints regarding the minimum flight speed and the steepest climb or descent angle possible. The resulting trajectories are simpler than previous approaches, limiting unnecessary maneuvering. Moreover, adjusting the behavior of the control scheme is possible through parameters with clear physical representation.The efficacy of the proposed navigation scheme is assessed through simulations in small-scale artificial scenarios and application to realistic air traffic data representing the increased future air traffic levels. In all cases, no conflicts occur and all aircraft reach their destinations through trajectories with the designed properties.

Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται ένα νέο σύστημα αυτόνομης πλοήγησης αεροσκαφών σχεδιασμένο εξ' αρχής για την εφαρμογή στη Διαχείριση Εναέριας Κυκλοφορίας. Στόχος της εργασίας είναι η αντιμετώπιση της διαρκώς αυξανόμενης εναέριας κυκλοφορίας, μεταβιβάζοντας την αρμοδιότητα πρόβλεψης και έγκαιρης αποφυγής συγκρούσεων από τους ελεγκτές εναέριας κυκλοφορίας στο κάθε, αυτόνομο πλέον, αεροσκάφος.Το προτεινόμενο σύστημα βασίζεται στη μεθοδολογία των Αποκεντρωμένων Συναρτήσεων Πλοήγησης (Decentralised Navigation Functions), η οποία επιλέχθηκε λόγω των αυστηρών θεωρητικών εγγυήσεων που προσφέρει αλλά και του μικρού υπολογιστικού κόστους της. Καθώς η μεθοδολογία αυτή έχει αρχικά αναπτυχθεί για την πλοήγηση ρομπότ, για την εφαρμογή της στην αυτόνομη πλοήγηση αεροσκαφών προτείνονται συγκεκριμένες επεκτάσεις και βελτιώσεις. Αυτές στοχεύουν αφ' ενός στη συμμόρφωση με τις ειδικές απαιτήσεις και πρακτικές της Διαχείρισης Εναέριας Κυκλοφορίας και εφ' ετέρου στην προσαρμογή στα ιδιαίτερα κινηματικά χαρακτηριστικά και περιορισμούς των αεροσκαφών.Κατ' αρχάς, προτείνεται ένας νέος τρόπος κατασκευής Τεχνητών Δυναμικών Πεδίων με βάση Συναρτήσεις Πλοήγησης, ο οποίος ενσωματώνει τοπική γνώση περιβάλλοντος καθώς και μηχανισμούς εισαγωγής άμεσων και έμμεσων προτεραιοτήτων. Ακόμα, γενικεύεται η εφαρμογή των Συναρτήσεων Πλοήγησης σε σχήματα που ορίζονται εμμέσως με τη χρήση βαθμωτών συναρτήσεων.Τέλος, παρουσιάζεται ένα νέο σχήμα ελέγχου κίνησης το οποίο χρησιμοποιεί ως βάση το αποκεντρωμένο δυναμικό πεδίο κάθε αεροσκάφους για να το οδηγήσει μακριά από συγκρούσεις και τελικό στον προορισμό του. Οι νόμοι ελέγχου έχουν σχεδιαστεί με βάση το κινηματικό μοντέλο ενός αεροσκάφους κινούμενου στον 3-διάστατο χώρο και λαμβάνουν υπόψιν συγκεκριμένους περιορισμούς για την ελάχιστη ταχύτητα πτήσης και τη μέγιστη δυνατή γωνία ανόδου ή καθόδου. Οι παραγόμενες τροχιές είναι σημαντικά απλούστερες από προηγούμενες προσεγγίσεις, περιορίζοντας τους περιττούς ελιγμούς. Ακόμα, η συμμόρφωση τους με συγκεκριμένες πρακτικές της Διαχείρισης Εναέριας Κυκλοφορίας είναι δυνατή μέσω παραμέτρων με άμεση φυσική σημασία.Η αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου συστήματος αυτόνομης πλοήγησης αεροσκαφών αξιολογείται μέσω προσομοιώσεων σε τεχνητά σενάρια καθώς και εφαρμογή σε ρεαλιστικά σχέδια πτήσεων που αντιστοιχούν στην αυξημένη μελλοντική κυκλοφορία. Σε κάθε περίπτωση, η προτεινόμενη μεθοδολογία αποφεύγει όλες τις συγκρούσεις, οδηγώντας κάθε αεροσκάφος στο στόχο του μέσω τροχιών με τα επιθυμητά χαρακτηριστικά.