[論文レビュー] Cascaded Incremental Nonlinear Dynamic Inversion Control for MAV Disturbance Rejection

Ewoud J. J. Smeur, Guido de Croon+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2017

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、マイクロエアビークル（MAVs）向けに段階的インクリメンタル非線形ダイナミックインバージョン（INDI）コントローラーを提案する。ア装丁制御と位置制御にINDIを組み合わせることで、優れた風ガスト拒否性能を実現した。風洞実験では、10 m/sの風ガストを通過する際、MAVの平均最大位置ずれがわずか21 cmにとどまり、PIDコントローラーよりも7倍以上優れた性能を示した。

ABSTRACT

Micro Aerial Vehicles (MAVs) are limited in their operation outdoors near obstacles by their ability to withstand wind gusts. Currently widespread position control methods such as Proportional Integral Derivative control do not perform well under the influence of gusts. Incremental Nonlinear Dynamic Inversion (INDI) is a sensor-based control technique that can control nonlinear systems subject to disturbances. It was developed for the attitude control of manned aircraft or MAVs. In this paper we generalize this method to the outer loop control of MAVs under severe gust loads. Significant improvements over a traditional Proportional Integral Derivative (PID) controller are demonstrated in an experiment where the quadrotor flies in and out of a windtunnel exhaust at 10 m/s. The control method does not rely on frequent position updates, as is demonstrated in an outside experiment using a standard GPS module. Finally, we investigate the effect of using a linearization to calculate thrust vector increments, compared to a nonlinear calculation. The method requires little modeling and is computationally efficient.

研究の動機と目的

• 屋内外のMAVs飛行、特に障害物や都市部環境での風ガストへの耐性を向上させること。
• ゲイン飽和や積分作用の遅れにより、従来のPIDコントローラーが持続的かつ激しい風ガストを効果的に抑制できないという限界を克服すること。
• 加速度計の測定値に基づいて歪みを推定・制御入力を段階的に調整する、センサーレスでモデルフリーな制御手法を確立すること。
• GPSを用いた屋外飛行を含む実世界のシナリオにおいて、姿勢制御および位置制御の両方において段階的INDIの実現可能性と耐障害性を実証すること。
• 線形と非線形の推力計算の違いが、制御精度および外部干渉抑制性能に与える影響を調査すること。

提案手法

• 測定された角加速度に基づき、所望の加速度と実際の加速度の差を用いてインクリメンタル制御入力を計算する内側ループのINDI姿勢制御器を実装する。
• 内側ループのINDIを外側ループのINDI位置制御器と段階的に接続し、IMUからの線形加速度を用いて位置制御のための推力増分を計算する。
• 所望加速度と測定加速度の差に基づくインクリメンタル制御更新を採用し、完全なシステムモデルや風の推定に依存しない。
• 図8に示す非線形モータ推力曲線を組み込み、急激なマネーグルの際の制御精度を向上させるためのより正確な推力ベクトル増分を計算する。
• 加速度計測定値のノイズ低減のためのフィルタリング技術を適用し、安定した制御性能を確保する。
• 実時間制御の実装を実現するため、オープンソースのPaparazzi自動飛行制御装置にコントローラーを統合し、Parrot Bebopクアッドコプターに搭載する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 段階的INDI制御は、従来のPIDコントローラーと比較して、高速風ガスト下での干渉抑制性能を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 非線形推力計算の使用は、急激なマネーグル中の垂直加速度追従精度をどの程度向上させるか？
• RQ3 GPS更新が頻繁でない状況下でも、INDIコントローラーは安定した性能を維持できるか？これにより、屋外運用の信頼性が確保できるか？
• RQ4 空気力学的形状の変更に伴い制御効果が変化した場合、アクチュエータの飽和と制御割り当てはどのように扱われるか？
• RQ5 ヨー角が推力ベクトルダイナミクスに与える影響を無視することは制御性能に悪影響を及ぼすか？また、異なるオイラー角順序を採用することで性能向上が図れるか？

主な発見

• 段階的INDIコントローラーは、風洞実験において10 m/sの風速ガストを通過する際、平均最大位置ずれがわずか21 cmにとどまり、同等のPIDコントローラー（151 cm）と比較して顕著に優れた性能を示した。
• INDIベースのコントローラーは、標準的なGPS更新のみを用いた屋外飛行においても、耐障害性を示した。これは、実世界のシナリオにおける実用性を裏付けるものである。
• 非線形推力計算により、垂直加速度追従の最大誤差が線形近似と比較して低減され、特に急激なマネーグルの際の性能向上が顕著に観察された。
• 推力要件が急激に変化するゼロバンク角通過時でも、コントローラーは良好な性能を維持した。
• 制御効果のオンライン適応により、空気力学的形状の変更後も信頼性ある制御が可能となり、再調整の必要性が低減された。
• 予備的な結果から、制御割り当てにおける軸の優先順位を考慮することで、アクチュエータの飽和下でもさらなる性能向上が期待できる可能性が示唆された。