[論文レビュー] Control of VTOL Vehicles with Thrust-direction Tilting

Minh‐Duc Hua, Tarek Hamel+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2013

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 9被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、推力方向を傾けることができるVTOL機体の非線形制御フレームワークを提案する。主な目的（位置・速度追従）と二次的な目的（姿勢または方向安定化）を用いて、制御入力の限界を扱う。この手法により、推力傾き角が最大に達しても漸近的安定性と収束性が保証され、プロペラが傾いている四脚ローターUAVのシミュレーションで検証された。

ABSTRACT

An approach to the control of a VTOL vehicle equipped with complementary thrust-direction tilting capabilities that nominally yield full actuation of the vehicle's position and attitude is developed. The particularity and difficulty of the control problem are epitomized by the existence of a maximal thrust-tilting angle which forbids complete and decoupled control of the vehicle's position and attitude in all situations. This problem is here addressed via the formalism of primary and secondary objectives and by extending a solution previously derived in the fixed thrust-direction case. The proposed control design is also illustrated by simulation results involving a quadrotor UAV with all propellers axes pointing in the same monitored tilted direction.

研究の動機と目的

• 推力傾き角の制限により、位置制御と姿勢制御の完全なデカップリングが不可能となるVTOL機体の制御課題に対処すること。
• 広い飛行包絡線を持つ多様なVTOL機体に適用可能な汎用的で非線形な制御ソリューションを開発すること。
• 制御設計に最大推力傾き角制約を明示的に組み込み、ロバスト性と安定性を確保すること。
• 従来の固定推力方向制御手法を、Lyapunovに類する安定性解析を用いて、傾き可能な場合に拡張すること。
• 物理的制限下で、位置・速度追従を優先し、姿勢・方向安定化を二次的に行う階層的かつ優先順位付きの方法で両方を達成すること。

提案手法

• 制御設計は、主な目的（参照位置または速度の漸近的安定化）と二次的な目的（ボディ固定ベクトルの方向または完全な姿勢の漸近的安定化）を有する階層的アプローチを採用する。
• 閉ループ系のグローバル漸近的安定性と収束性を保証するために、Lyapunovに類する安定性フレームワークを用いる。
• 最大許容推力傾き角をハード制約として明示的に組み込み、アクチュエータの飽和を防止する。
• 固定推力方向VTOL機体に対する先行研究の延長として制御則を導出するが、変動する推力方向を扱えるように適応させる。
• スイッチングを回避し、疑似逆行列や最適化を必要としないため、概念的な単純さを実現する。
• シミュレーションによる検証は、すべてのプロペラが固定軸で傾いている四脚ローターUAV上で実施され、実際の制御入力制約を模擬する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御入力の制限がある場合、推力傾き角が制限されたVTOL機体は、どのように安定した位置制御と姿勢制御を達成できるか？
• RQ2 推力傾き角が制限されており、位置と姿勢の完全なデカップリングが不可能な状況下で、どのように漸近的安定性を確保できるか？
• RQ3 物理的制限下で、位置・速度追従（主な目的）を姿勢または方向安定化（二次的目的）よりも優先するには、どのように制御アーキテクチャを設計できるか？
• RQ4 複数の制御則を切り替える必要がなく、単純さを保ちつつロバスト性を確保できる制御戦略を設計できるか？
• RQ5 推力傾きの飽和が発生した場合、このような制御システムの性能限界は何か？

主な発見

• シミュレーション1では、平均速度4 m/s、加速度最大3 m/s²の要求の高い参照軌道を、水平基準を維持しながら正確に追従した。
• 推力傾き角は最大値π/6 rad（30°）に達したことはなく、主な目的と二次的な目的が同時に達成されたことを示した。
• シミュレーション2では、必要な推力傾き角が許容範囲を超えた場合、機体の傾きがゼロからずれた。これは制御入力の飽和が及ぼす影響を示している。
• 推力傾きの飽和が発生しても、主な位置追従目的は完全に達成された。これは制御フレームワークのロバスト性を示している。
• 飽和中は二次的な姿勢安定化目的の一時的な喪失が生じたが、必要な傾き角が再び許容範囲内に戻ると直ちに回復した。これにより、システムの回復力が確認された。
• 制御入力（推力とトルク）はすべて有界であり、物理的に現実的で、スイッチングや複雑な最適化の必要がなく、この手法の実用的妥当性が裏付けられた。