[論文レビュー] A Swash Mass Unmanned Aerial Vehicle: Design, Modeling and Control

Andrea M. Tonello, Babak Salamat|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2019

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、共軸ローターと4つの可動慣性質量を用いて姿勢制御および垂直離着陸（VTOL）能力を達成する、新しい無人航空機（UAV）設計、いわゆるスワッシュマスUAVを提案する。非線形力学モデルを導出し、リャプノフに基づくバックステッピング制御則を適用することで、時間変動する慣性効果を定常慣性近似によって扱うことで、急激な飛行行動を含む正確な軌道追従が実現された。

ABSTRACT

In this paper, a new unmanned aerial vehicle (UAV) structure, referred to as swash mass UAV, is presented. It consists of a double blade coaxial shaft rotor and four swash masses that allow changing the orientation and maneuvering the UAV. The dynamical system model is derived from the Newton extquotesingle s law framework. The rotational behavior of the UAV is discussed as a function of the design parameters. Given the uniqueness and the form of the obtained non-linear dynamical system model, a back-stepping control mechanism is proposed. It is obtained following the Lyapunov's control approach in each iteration step. Numerical results show that the swashed mass UAV can be maneuvered with the proposed control algorithm so that linear and aggressive trajectories can be accurately tracked.

研究の動機と目的

• 複雑なスワッシュプレート機構に依存せずにVTOLおよび俊敏な飛行を実現できる新しい機械的UAV構造の提案。
• ニュートン力学に基づいて、スワッシュマスUAVの包括的な非線形力学系モデルの導出。
• 質量分布やローターのサイズなどの設計パラメータが制御入力応答およびシステム安定性に与える影響の分析。
• 結合的かつアンダーアクチュエートな力学的特性下での軌道追従のためのロバストな非線形制御戦略の開発。
• 線形および急激な参照軌道の追従を示す数値シミュレーションを通じた制御手法の検証。

提案手法

• UAV構造は、揚力のための二枚羽根共軸ローターと、重力による制御モーメントを発生させるために本体に取り付けられた4つの可動質量を備える。
• ニュートンの法則を用いて、質量移動に起因する時間変動する慣性を組み込んだ、完全な非線形力学系モデルを導出する。
• システムは、完全に制御可能な部分（ローター回転数）と、結合的アンダーアクチュエート部分（質量移動）に分解され、バックステッピング制御設計が可能になる。
• リャプノフに基づくバックステッピング制御則を構築し、ピッチおよびロール状態のための合成リャプノフ関数を構築することで安定性を証明する。
• 制御則導出を簡素化するために、慣性行列を定数と近似する。これにより、制御入力を追従誤差およびゲインの関数として明示的に表現可能になる。
• ロールおよびピッチの制御入力は、状態誤差および制御ゲインの関数として導出され、追従誤差の漸近的収束を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑なスワッシュプレート機構に依存せずに、VTOLおよび俊敏な飛行を実現できる新しいUAV構造は、どのように設計可能か？
• RQ2 質量分布およびローター動力学がスワッシュマスUAVにおける制御入力応答に与える影響は何か？
• RQ3 リャプノフに基づくバックステッピング制御器は、スワッシュマスUAVの非線形的かつアンダーアクチュエートな力学的特性を安定化できるか？
• RQ4 時間変動する慣性行列は制御設計にどのように影響を及ぼし、どのような近似が制御則導出のための取り扱いやすさをもたらすか？
• RQ5 提案された制御則は、複雑で急激な軌道の追従をどの程度正確に可能にするか？

主な発見

• バックステッピング制御則はピッチおよびロールの力学を効果的に安定化させ、追従誤差がゼロに漸近収束することを保証する。
• ロールの制御入力は ℓ_y = (I_c / (βT_1 cos(x_5))) * (e_5 + k_1 e_6 - k_1² e_5 + k_2 e_6) として導出され、リャプノフ導関数が負半定値であることを保証する。
• 数値結果により、スワッシュマスUAVが提案された制御則のもとで、線形および急激な参照軌道を正確に追従できることを確認した。
• ローター回転数と質量移動の協調制御により、安定したホバリングおよびVTOL能力が達成された。
• 慣性行列を定数と近似することで、取り扱いやすく効果的な制御設計が可能となり、リャプノフ解析による安定性が証明された。
• 制御ゲイン k_1 および k_2 は誤差項の収束速度を支配しており、正の値をとることで漸近的安定性が保証される。