[論文レビュー] A Robust Model Predictive Control Approach for Underwater Robotic Vehicles Operating in a Constrained workspace.

Shahab Heshmati-Alamdari, George C. Karras+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2017

Adaptive Control of Nonlinear Systems被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、障害物が多く、制約のある環境で作業する水中ロボット車両のための耐性性のある非線形モデル予測制御（NMPC）方式を提案する。全車両動力学と海流の影響を統合することで、有利な海流を活用した推進力の最適化が可能となり、エネルギー消費を低減しながら安定的かつ制約を満たすウェイポイント追従を実現する。実験的に4自由度の車両を用いた制約付きタンク環境で検証された。

ABSTRACT

This paper presents a novel Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) scheme for underwater robotic vehicles operating in a constrained workspace including static obstacles. The purpose of the controller is to guide the vehicle towards specific way points with guaranteed input and state constraints (i.e obstacle avoidance, workspace boundaries). The proposed scheme incorporates the full dynamics of the vehicle in which the ocean currents are also involved. Hence, the control inputs calculated by the proposed scheme are formulated in a way that the vehicle will exploit the ocean currents, when these are in favor of the way-point tracking mission which results in reduced energy consumption by the thrusters. The closed-loop system has analytically guaranteed stability and convergence properties. The performance of the proposed control strategy is experimentally verified using a $4$ Degrees of Freedom (DoF) underwater robotic vehicle inside a constrained test tank with obstacles.

研究の動機と目的

• 静的障害物が存在する制約付き作業空間を水中ロボット車両が効率的に通過できるよう、入力制約および状態制約を満たす制御手法を提供すること。
• 車両の完全な非線形動力学、特に海流の影響を含めた予測制御フレームワークに統合すること。
• ウェイポイント追従ミッション中に有利な海流を活用することで、エネルギー消費を最小限に抑えること。
• 提案されたNMPC定式化のもとで、閉ループ系の安定性および収束性を保証すること。
• 物理的障害物と制約付き作業空間を有する実環境で、制御性能を実験的に検証すること。

提案手法

• 水中車両の完全な4自由度（4-DoF）動力学を明示的にモデル化した非線形モデル予測制御（NMPC）方式の構築。
• NMPC最適化問題内に海流の影響を外部摂動として統合し、予測補償および活用を可能にする。
• 軌道計画中に障害物回避および作業空間境界の制限を満たすために、状態および入力制約を定義する。
• 制御効率（推進力の使用）を最小化するとともに、正確なウェイポイント追従を優先するコスト関数を設計する。
• 各サンプリングタイムに制御入力を計算するために、リcedeivingホライズン最適化手法を採用し、リアルタイム適合性を確保する。
• 解析的安定性および収束証明を適用することで、提案された制御器のもとで閉ループ系の耐性性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、制約が多く、障害物が多数存在する環境下でも、水中車両のウェイポイント追従が安定的かつ収束的に実現できるNMPCを設計できるか？
• RQ2 ミッション実行中に、海流をどれほど効果的に活用することでエネルギー消費を低減できるか？
• RQ3 動的な海流条件下でも、状態および入力制約（例：障害物回避、境界制限）をどれほど効果的に維持できるか？
• RQ4 物理的障害物と制約付き作業空間を有する実験的環境下で、制御器の性能はどの程度であるか？
• RQ5 モデルの不確実性および環境的摂動が存在する状況でも、提案されたNMPCアプローチが閉ループの安定性および収束性を保証できるか？

主な発見

• 提案されたNMPC制御器は、障害物が存在する制約付きテストタンク内において、すべての状態および入力制約を満たしながら4自由度の水中車両を効率的に誘導した。
• 制御器は安定的かつ収束的動作を示し、実験的試行の全期間にわたり正確なウェイポイント追従が達成された。
• 有利な海流を活用することで、推進力の使用が著しく低減され、ミッション実行中のエネルギー消費が削減された。
• 閉ループ系は解析的に保証された安定性および収束性を示し、制御設計の理論的基盤の妥当性が裏付けられた。
• 実験結果から、NMPC方式の実世界における有効性が確認され、環境的摂動および制約違反に対して高い耐性を示した。
• 海流動力学を制御フレームワークに統合することで、非適応的制御手法と比較して、より効率的な軌道計画が可能になった。