[論文レビュー] A robust but easily implementable remote control for quadrotors: Experimental acrobatic flight tests

Maison Clouâtré, Makhin Thitsa+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 29被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、システムモデル化やコントローラー再調整を必要とせず、頑健でアクロバティックなレート追従を実現するモデルフリー制御（MFC）戦略を提示する。この手法は、超局所モデルを用いて未モデル化されたダイナミクスおよび外部摂動をリアルタイムで推定し、多様なドローンおよび深刻な損傷状態下でも低誤差を達成する。従来のPIDコントローラーと比較して優れた頑健性を示している。

ABSTRACT

Experimental flight tests are reported about quadrotors UAVs via a recent model-free control (MFC) strategy, which is easily implementable. We show that it is possible to achieve acrobatic rate control of the UAV, which is beyond the previous standard. The same remote controller is tested on two physical vehicles without any re-tuning. It produces in both cases low tracking error. We show that MFC is robust even when the quadrotor is highly damaged. A video footage can be found at: https://youtu.be/wtSLalA4szc

研究の動機と目的

• システムモデル化やコントローラー再調整を不要とする、マルチローター用の頑健なモデルフリー制御戦略の開発。
• 異なる動的特性を有する複数の物理的マルチローター・プラットフォームにおけるコントローラー性能の検証。
• 特にプロペラの著しい損傷といった極端な条件下でのコントローラーの耐性の評価。
• 実世界のアクロバティック飛行シナリオにおいて、MFCとPID制御の性能を直接比較。
• 低コスト計算資源プラットフォームへのMFCの実装可能性を、実用的なUAVアプリケーションの文脈で示すこと。

提案手法

• 出力のm階微分を時間変動関数F(t)と入力の線形項の和として表現する超局所モデルを採用し、レート制御ではm=2とする。
• F(t)のリアルタイム推定を用いて未モデル化ダイナミクスおよび外部摂動を補償する、知能的PD（iPD）コントローラーを超局所モデルから導出。
• F(t)の推定値は、スライディングウインドウ上で式 y^(m)(t) - αu(t) を平均化することで計算され、システム同定を必要とせずリアルタイム適応を可能にする。
• フィードバックゲイン K_P と K_D を用いて局所安定性を確保し、制御則の構造上、アンチワインドアップは不要。
• すべての実験において同一のコントローラー・パラメータを適用し、再チューニングを一切行わず、データ駆動型の適応に依存。
• 標準センサおよび低コストプロセッサを用いて、ドローン搭載上で実装され、実用的かつ容易な展開性を有する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 システムモデル化やチューニングを要せず、モデルフリー制御戦略がマルチローターで安定的かつ高精度なアクロバティックレート追従を達成できるか？
• RQ2 異なる物理的マルチローター・プラットフォームに適用した場合、MFCコントローラーの性能はPIDと比べてどの程度優れているか？
• RQ3 プロペラの半分が損傷したような深刻な機械的損傷状態下でも、MFCは安定性と低誤差をどの程度維持できるか？
• RQ4 重心位置や推進系が著しく異なるドローン（例：異なる重心位置、アンバランスなランディングギア）に対しても、MFCは性能を維持できるか？
• RQ5 低計算コストプラットフォームにMFCを実装しても、実世界の屋外飛行条件下で頑健な制御を達成できるか？

主な発見

• アクロバティック飛行中、標準的なDJI F450マルチローターにおいて、センサフィルタリングを一切行わず、平均絶対追従誤差が10度/秒未満を達成。
• 各プロペラの半分を除去した後も、同じコントローラーが平均絶対誤差20度/秒未満を維持し、著しい機械的損傷に対しても耐性を示した。
• 重心位置やアンバランスなランディングギアを有する別ドローン（Tarot 650 Sport）に対しても、再チューニングなしに正常に動作を確認。
• 特に激しい飛行行動において、適切にチューニングされたPIDコントローラーと比較して、MFCコントローラーがより優れた頑健性を示した。
• iPDに基づくMFCコントローラーは、損傷済みおよび異なる仕様のドローンでも安定飛行を達成し、そのデータ駆動型かつ頑健な性質を示した。
• 計算リソースの消費が最小限に抑えられ、低コストマイクロエアロナルビー（MAV）への展開に適していることが判明した。