[論文レビュー] Attitude Estimation and Position Control of VTOL UAVs using IMU and GPS Measurements

Andrew D. Roberts, Abdelhamid Tayebi|arXiv (Cornell University)|May 31, 2011

Robotic Path Planning Algorithms被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、姿勢推定に依存せずにIMUおよびGPS測定値を直接使用するVTOL-UAVの新しい位置制御戦略を提案する。加速度計が重力ベクトルだけでなく顕在加速度も測定することを活用することで、非ホバーモードの飛行時においても安定した性能を維持する。シミュレーションでは、ノイズや外乱に対して有効な安定性が示された。

ABSTRACT

We propose a new position control strategy for VTOL-UAVs using IMU and GPS measurements. Since there is no sensor that measures the attitude, our approach does not rely on the knowledge (or reconstruction) of the system orientation as usually done in the existing literature. Instead, IMU and GPS measurements are directly incorporated in the control law. An important feature of the proposed strategy, is that the accelerometer is used to measure the apparent acceleration of the vehicle, as opposed to only measuring the gravity vector, which would otherwise lead to unexpected performance when the vehicle is accelerating (i.e. not in a hover configuration). Simulation results are provided to demonstrate the performance of the proposed position control strategy in the presence of noise and disturbances.

研究の動機と目的

• 姿勢の明示的知識や再構築を必要としないVTOL-UAVの位置制御戦略の開発を目的とする。
• 機体が加速する際、従来の方法では性能が低下する問題を、加速度計からの顕在加速度を重力ベクトルのみではなく用いることで解決することを目的とする。
• 制御則にIMUとGPSデータを直接統合することで、現実の飛行状況におけるノイズや外乱に対する耐性を高めることを目的とする。

提案手法

• 制御則は、機体の姿勢を推定せずに、生のIMUおよびGPS測定値を直接統合する。
• 加速度計を用いて、重力成分と動的加速度成分を含む機体の顕在加速度を測定する。
• IMUの顕在加速度を制御アルゴリズムへの直接入力として扱うことで、姿勢再構築を回避する。
• 加速成分が非ゼロとなる非ホバーフライトフェーズでも、制御戦略が有効に機能するように設計する。
• GPSの位置および速度データを統合して、ドリフトを補正し、位置決め精度を向上させる。
• シミュレーションを用いて、現実的なノイズおよび外乱条件下での制御性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、姿勢推定や再構築に依存せずにVTOL-UAVの位置制御を実現できるか？
• RQ2 機体が加速する際、従来のIMUベースの制御ではどのような性能劣化が生じるのか、そしてその対処法は何か？
• RQ3 IMUからの顕在加速度を直接使用することで、非ホバーフライト時の制御の頑健性が向上するか？
• RQ4 ノイズおよび外部外乱が、シミュレーションにおける提案された制御戦略にどのように影響を与えるか？
• RQ5 姿勢計算を一切行わない制御則にIMUとGPS測定値を直接統合することで、どのような有効性が得られるか？

主な発見

• 提案された制御戦略は、加速時においても安定した性能を維持し、加速度計の重力ベクトルのみを用いる手法で見られる予期せぬ挙動を回避する。
• IMUとGPS測定値を直接統合することで、姿勢ベースの手法と比較して位置決め精度が向上し、ドリフトが低減する。
• シミュレーションにおけるノイズおよび外乱に対して、本手法は頑健性を示し、実用的な妥当性を確認した。
• 重力ベクトルのみではなく顕在加速度を用いることで、異なる飛行フェーズにおいて一貫した制御性能が得られる。
• シミュレーションにより、明示的な姿勢推定を必要とせずに制御則がUAVを効果的に安定化できることを確認した。
• 複雑な姿勢オブザーバーや推定器の必要性が排除され、全体の制御アーキテクチャが簡素化された。