[論文レビュー] A Robust Force Control Approach for Underwater Vehicle Manipulator Systems

Shahab Heshmati-Alamdari, Alexandros Nikou+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2016

Underwater Vehicles and Communication Systems参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、システムの動的特性、外部の摂動、センサノイズの知識がなくても、事前に定義された過渡応答および定常応答性能を保証する、モデルフリーでロバストな水中機械アームシステム（UVMS）向けの力制御方式を提案する。この手法は、設計者が定義した性能関数を用いることで、モデルの不確実性からの制御行動の分離を実現し、シミュレーションにおいて外部摂動および測定ノイズ下でも低オーバーシュートと有界な誤差を達成する。

ABSTRACT

In various interaction tasks using Underwater Vehicle Manipulator Systems (UVMSs) (e.g. sampling of the sea organisms, underwater welding), important factors such as: i) uncertainties and complexity of UVMS dynamic model ii) external disturbances (e.g. sea currents and waves) iii) imperfection and noises of measuring sensors iv) steady state performance as well as v) inferior overshoot of interaction force error, should be addressed during the force control design. Motivated by the above factors, this paper presents a model-free control protocol for force controlling of an Underwater Vehicle Manipulator System which is in contact with a compliant environment, without incorporating any knowledge of the UVMS's dynamic model, exogenous disturbances and sensor's noise model. Moreover, the transient and steady state response as well as reduction of overshooting force error are solely determined by certain designer-specified performance functions and are fully decoupled by the UVMS's dynamic model, the control gain selection, as well as the initial conditions. Finally, a simulation study clarifies the proposed method and verifies its efficiency.

研究の動機と目的

• モデルの不確実性、外部の摂動（例：海流）およびセンサノイズによるUVMSにおける力制御の課題に対処すること。
• 正確な動的モデルに依存するか、摂動が既知であると仮定する従来の力制御方式の限界を克服すること。
• システムの動的特性や初期条件にかかわらず、望ましい過渡応答および定常応答性能を保証する制御プロトコルを設計すること。
• 現実の水中環境における有界な外部摂動および測定ノイズに対してロバスト性を確保すること。
• 現在のUVMSプラットフォームでのリアルタイム実装に適した低複雑性の制御則を開発すること。

提案手法

• 2段階の制御構造を採用：第1段階は位置／力誤差のダイナミクスを扱い、第2段階は性能関数を介して性能制約を強制する。
• 性能関数を用いて、望ましいオーバーシュート、収束速度、定常誤差の上限を定義し、性能を制御ゲインやシステムモデルから分離する。
• 誤差および性能関数の微分に基づいて制御入力を計算する静的制御則を設計し、オンラインパrameter推定の複雑さを回避する。
• UVMSの動的特性、環境の剛性、摂動モデルの知識が不要なモデルフリーなアプローチを統合する。
• リャプノフに基づく安定性解析を用いて、摂動およびノイズ下でも誤差が事前に定義された性能範囲内に有界であることを証明する。
• 初期値および最終値の境界（ρ⁰, ρ∞）と収束速度（l）をパラメータ化した性能関数を用い、過渡応答の挙動を明示的に形状づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UVMS向けの力制御方式は、動的モデルの知識や摂動推定に依存せずに、望ましい過渡応答および定常応答性能を達成できるか？
• RQ2 オーバーシュートや収束速度といった性能仕様を、制御ゲインの選択やシステムダイナミクスから分離して明示的に設定できるか？
• RQ3 水中環境における有界な外部摂動および測定ノイズ下でも、制御方式がどの程度ロバストに保てるか？
• RQ4 未知の動的特性および不確実な環境相互作用を有するUVMSにおいて、低複雑性の静的制御則が力制御を効果的に管理できるか？
• RQ5 性能関数に基づくアプローチは、従来の力制御と比較して、不確実性下での誤差境界およびロバスト性においてどのように異なるか？

主な発見

• 実際の力軌道は、オーバーシュートを示さず、図3に示すように、最小限の誤差で参照値に収束した。
• 位置および力追従誤差は、図4および図5で確認されたように、すべての方向で事前に定義された性能範囲内に有界に保たれた。
• 外部摂動（0.15sin(2πt/7)）および有界な測定ノイズ下でも、システムは安定した性能を維持した。
• 位置および速度誤差の定常誤差境界はρ∞ = 0.2に達成され、初期誤差境界はρ⁰ = 1であったため、所定の過渡応答挙動が保証された。
• コントローラは低計算複雑性を示し、各制御更新でわずかな計算のみに依存していたため、リアルタイム実装が可能であった。
• 性能関数が望ましい挙動を明示的に定義していたため、システムの性能は制御ゲインおよび初期条件から完全に分離された。