[論文レビュー] Adaptive Digital PID Control of a Quadcopter with Unknown Dynamics

Ankit Goel, Abdulazeez Mohammed Salim+3 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2020

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 7被引用数 15

ひとこと要約

本論文では、PX4の標準コントローラーを代替することで、未知の動的特性を有する多軸クアッドコプター向けに、レトロスペクティブ・コスト適応制御（RCAC）に基づく適応型PID法を用いた適応型デジタルPID自動操縦装置を提案する。初期ゲインをゼロに設定した適応型システムは、慣性モーメントの著しい変化に対しても安定した軌道追従を維持でき、従来のPX4コントローラーよりも非定常状態で優れた性能を示し、ロバストなゲイン適応と最小限のチューニングを実現した。

ABSTRACT

This paper develops an adaptive autopilot for quadcopters with unknown dynamics. To do this, the PX4 autopilot architecture is modified so that the feedback and feedforward controllers are replaced by adaptive control laws based on retrospective cost adaptive control (RCAC). The present paper provides a numerical investigation of the performance of the adaptive autopilot on a quadcopter with unknown dynamics. In order to reflect the absence of prior modeling information, all of the adaptive digital controllers are initialized at zero gains. In addition, moment-of-inertia of the quadcopter is varied to test the robustness of the adaptive autopilot. In all test cases, the vehicle is commanded to follow a given trajectory, and the resulting performance is examined.

研究の動機と目的

• 車両の動的特性が未知または予期せず変化する場合に生じる多軸クアッドコプター自動操縦装置の性能低下という課題に取り組む。
• 質量や慣性モーメントの変化によって非定常飛行状態で性能が低下する固定ゲインコントローラー（例：PX4の標準自動操縦装置）の限界を克服する。
• 車両の動的特性に関する事前知識が一切不要であり、すべてのゲインをゼロで初期化することができる適応型制御システムを開発する。
• 慣性モーメントが5倍に増加するなど、物理的パラメータに著しい変化が加わった状況下でも、ロバストで一貫性のある性能を示すことを実証する。
• RCACハイパーパrameter（P₀およびσ）が閉ループ系応答およびコントローラー適応行動に与える影響を調査する。

提案手法

• PX4自動操縦装置アーキテクチャ内のすべての標準PおよびPIDコントローラーを、レトロスペクティブ・コスト適応制御（RCAC）に基づく適応型デジタルPIDコントローラーに置き換える。
• 各タイムステップで4×4のコントローラーパラメータ行列を更新するために、再帰的最小二乗法（RLS）を用いてRCACを実装し、リアルタイムでの適応を可能にする。
• 事前モデル情報が欠落している状況を反映するために、すべての適応型コントローラーゲインをゼロで初期化する。
• さまざまな動的状態下での性能評価を目的として、適応型自動操縦装置をクアッドコプター・シミュレータと統合する。
• 慣性モーメント行列を5倍に変更することで、ロバストネスをテストし、ゲイン適応ダイナミクスを観察する。
• RCACハイパーパrameter（P₀およびσ）を体系的にチューニングし、トランジェント応答および安定性に与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期段階でクアッドコプターの動的特性が完全に未知である状況下でも、RCACに基づく適応型デジタルPIDコントローラーは安定した軌道追従を維持できるか？
• RQ2 RCACハイパーパrameter（P₀およびσ）は、適応型自動操縦装置のトランジェント応答およびロバストネスにどのように影響するか？
• RQ3 慣性モーメントが5倍に増加した場合、適応型自動操縦装置は従来のPX4コントローラーと比較してどのように性能を発揮するか？
• RQ4 適応型コントローラーゲインは、非定常状態下でも一貫した性能を維持するように進化するか？
• RQ5 再チューニングなしで、未知または変化する物理的パラメータをどれほど効果的に補償できるか？

主な発見

• ゼロの初期ゲインを有するにもかかわらず、適応型PX4自動操縦装置は、定常状態下で従来のPX4コントローラーと同等の性能を達成した。
• 慣性モーメントを5倍にスケーリングした際、従来のPX4コントローラーは振動的なヨー応答を示し、性能の低下を示した。
• これに対して、適応型PX4コントローラーは、定常状態と同様に安定で振動のないヨー応答を維持し、ロバストネスを実証した。
• コントローラーゲインは変化した動的特性に応じて動的に変化し、非定常状態と定常状態の両方で明確な適応パターンが観察された。
• P₀の値が小さいほどシステム応答が遅くなり、σの値が小さいほど全体的な性能が低下した。これは、適応がハイパーパrameterチューニングに敏感であることを確認した。
• 事前のモデル化がなくとも、未知の動的特性を効果的に補償できた。これは、RCACに基づく適応がリアルタイム飛行制御において有効であることを裏付けた。