[論文レビュー] Coordinated Path Following Control of Fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles

Hao Chen, Yirui Cong+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2019

Distributed Control Multi-Agent Systems参考文献 39被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、最小前進速度および最大角速度制約を満たす固定翼UAVにおける協調経路追従のためのハイブリッド制御則を提案する。経路追従誤差に基づいてUAVを協調または単一エージェントレベルで制御することで、経路誤差および所望のUAV間弧長距離の漸近的収束を保証し、MATLABおよびハードウェアインザループシミュレーションにより検証された。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the problem of coordinated path following for fixed-wing UAVs with speed constraints in 2D plane. The objective is to steer a fleet of UAVs along the path(s) while achieving the desired sequenced inter-UAV arc distance. In contrast to the previous coordinated path following studies, we are able through our proposed hybrid control law to deal with the forward speed and the angular speed constraints of fixed-wing UAVs. More specifically, the hybrid control law makes all the UAVs work at two different levels: those UAVs whose path following errors are within an invariant set (i.e., the designed coordination set) work at the coordination level; and the other UAVs work at the single-agent level. At the coordination level, we prove that even with speed constraints, the proposed control law can make sure the path following errors reduce to zero, while the desired arc distances converge to the desired value. At the single-agent level, the convergence analysis for the path following error entering the coordination set is provided. We develop a hardware-in-the-loop simulation testbed of the multi-UAV system by using actual autopilots and the X-Plane simulator. The effectiveness of the proposed approach is corroborated with both MATLAB and the testbed.

研究の動機と目的

• 固定翼UAVにおいて最小前進速度および最大角速度制約を満たす協調経路追従制御則の不足に対処すること。
• 複数の固定翼UAVが所定の経路を追従しながら、所望のUAV間弧長距離を維持できる制御戦略を設計すること。
• 速度および旋回速度制限がある中でも、経路追従誤差および協調誤差の収束を保証すること。
• 実際の自動操縦装置およびX-Planeを用いたシミュレーションおよびハードウェアインザループテストにより、手法を検証すること。

提案手法

• 経路追従誤差が事前に定義された不変協調集合内にあるかどうかに応じて、協調制御モードと単一エージェント制御モードを切り替えるハイブリッド制御則を設計した。
• 協調レベルでは、リャプノフに基づく安定性解析により、速度および角速度制限下でも経路追従誤差がゼロに収束し、所望の弧長距離が達成されることを証明した。
• 単一エージェントレベルでは、リャプノフ関数と誤差ダイナミクスを用いて、経路追従誤差が協調集合に収束することを解析的に証明した。
• 協調集合は、UAVの速度制約を満たし、経路誤差および協調誤差の両方の収束を保証する最適化問題によって定義された。
• 制御則には、必要に応じてのみ空速を調整するReSetValue機構が含まれており、安定性を確保するとともに、不要な速度変更を回避する。
• 実際の自動操縦装置とX-Planeシミュレータを用いたハードウェアインザループ（HIL）テストベッドを構築し、現実的な条件下での制御則の有効性を検証した。

Figure 4: An illustration of the state trajectory in Case 3 when initially $\phi_{i}(t_{0})\in\{(\rho_{i},\psi_{i})\colon\vartheta_{i}=0\}$ .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小前進速度および最大角速度制約を満たす固定翼UAVのための協調経路追従制御則を設計できるか？
• RQ2 速度および旋回速度制限がある中でも、曲がりくねった経路を追従するUAVが、所望のUAV間弧長距離を維持できるか？
• RQ3 これらの制約下でも、経路追従誤差および協調誤差の両方の収束を保証する制御アーキテクチャは何か？
• RQ4 提案されたハイブリッド制御則は、現実的なハードウェアインザループ環境で検証可能か？
• RQ5 UAVの速度および曲率制約を満たしつつ収束を保証するように、協調集合をどのようにパラメータ化できるか？

主な発見

• 提案されたハイブリッド制御則により、前進速度および角速度制限下でも経路追従誤差がゼロに漸近的に収束することが保証された。
• 所望のUAV間弧長距離は、指定された値に収束し、所望のフォーメーションパターンが達成された。
• 協調集合は、UAVの速度および曲率制限を満たし、収束を保証する最適化問題によって定義された。
• ハードウェアインザループシミュレーションの結果、実際の自動操縦装置とX-Planeを用いた制御則の有効性が確認された。
• 協調集合にいる際の経路に沿った相対速度が非負となるように保証することで、追いつきを防止した。
• ReSetValue機構により、空速は必要に応じてのみ調整され、その結果得られる速度は可能な範囲 [v_min, v_max] 内に保たれた。

Figure 6: Trajectories of six UAVs following a circle, with the green wedges indicating the initial positions and headings for each UAV, blue ones indicating the states when the UAVs enter $\mathcal{S}_{1}$ , black ones indicating the final states.