[論文レビュー] Coordinated trajectory tracking of multiple vertical take-off and landing UAVs

Yao Zou, Ziyang Meng|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Adaptive Control of Nonlinear Systems被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、局所的な情報交換のみを用いてリーダーの所望する軌道を漸近的に取得できる、新規の分散推定器を用いた、複数のVTOLドローンの協調的軌道追従のための分散制御戦略を提案する。階層的制御フレームワークと補助系を用いることで、特異性のない指令姿勢抽出を保証し、有向通信グラフ（弱連結性を満たすもの）においても、位置および速度誤差の漸近的収束を達成する。

ABSTRACT

This paper investigates the coordinated trajectory tracking problem of multiple vertical takeooff and landing (VTOL) unmanned aerial vehicles (UAVs). The case of unidirectional information flow is considered and the objective is to drive all the follower VTOL UAVs to accurately track the trajectory of the leader. Firstly, a novel distributed estimator is developed for each VTOL UAV to obtain the leader's desired information asymptotically. With the outputs of the estimators, the solution to the coordinated trajectory tracking problem of multiple VTOL UAVs is transformed to individually solving the tracking problem of each VTOL UAV. Due to the under-actuated nature of the VTOL UAV, a hierarchical framework is introduced for each VTOL UAV such that a command force and an applied torque are exploited in sequence, then the position tracking to the estimated desired position and the attitude tracking to the command attitude are achieved. Moreover, an auxiliary system with proper parameters is implemented to guarantee the singularity-free command attitude extraction and to obviate the use of the unavailable desired information. The stability analysis and simulations effectively validate the achievement of the coordinated trajectory tracking of multiple VTOL UAVs with the proposed control approach.

研究の動機と目的

• 通信範囲が限られた状況下における、複数VTOLドローンの編隊における協調的軌道追従の課題に対処すること。
• 先行研究で制限的な仮定とされていた、無向または対称的通信グラフの仮定を克服し、有向グラフ（有向スパニングツリーを有するもの）を許容すること。
• リーダーの状態に関するグローバル知識に依存せずに、各フォロワーUAVがリーダーの軌道を局所的情報のみで推定できることを実現すること。
• 階層的制御アーキテクチャを用いて、アンダーアクチュエーテッドVTOLドローンの正確な位置および姿勢追従を達成すること。
• 入手不可能な所望の情報が不要であるにもかかわらず、姿勢指令生成におけるロバストネスを確保し、特異性を回避すること。

提案手法

• 各フォロワーUAVに対して、隣接ノードからの局所的情報のみを用いて、リーダーの所望する位置および速度を漸近的に推定する新規の分散推定器を設計する。
• 階層的制御フレームワークを実装する：まず位置追従のための指令力の計算を行い、次に姿勢追従のための指令トルクを導出する。
• 調整されたパrameterを持つ補助系を導入することで、指令姿勢の特異性のない抽出を保証し、リーダーの所望する姿勢への直接アクセスの必要性を排除する。
• リャプノフに基づく安定性解析を用いて、提案された制御則のもとで、位置および速度誤差がゼロに漸近的に収束することを証明する。
• バックステッピングおよびフィルタリング技術を制御設計に適用し、VTOLドローンのアンダーアクチュエーテッドダイナミクスに対処する。
• 有向グラフ上で分散最適化問題として制御問題を定式化することで、通信制約に強いスケーラビリティとロバストネスを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リーダーの軌道に直接アクセスできるフォロワーが少数である場合、複数のVTOLドローンはどのように協調的軌道追従を達成できるか？
• RQ2 アンダーアクチュエーテッドVTOLドローンに対して、リーダーの所望する姿勢の知識がなくても安定的かつ特異性のない姿勢制御を可能にする制御アーキテクチャは何か？
• RQ3 非対称な有向通信グラフ（無向グラフの仮定を緩和するもの）においても、協調的追従が達成可能か？
• RQ4 局所的情報のみを用いて、フォロワーの状態がリーダーの軌道に漸近的に収束するように、分散推定をどのように設計できるか？
• RQ5 補助系は、入手不可能な所望の情報に依存せずに、ロバストな指令姿勢生成を可能にする役割を果たすか？

主な発見

• 分散推定器により、各フォロワーUAVが隣人からの局所的情報のみを用いて、リーダーの所望する位置および速度を漸近的に推定可能である。
• シミュレーション結果により、すべてのフォロワーUAVの位置および速度誤差がゼロに漸近的に収束することが示された。誤差成分すべてがゼロに近づく。
• 階層的制御フレームワークにより、位置制御と姿勢制御が効果的に分離され、VTOLドローンのアンダーアクチュエーテッドダイナミクス下でも安定的かつ正確な軌道追従が達成された。
• 補助系により、指令姿勢抽出における特異性が防止され、リーダーの所望する姿勢への直接アクセスの必要性が排除され、システムのロバストネスが向上した。
• シミュレーションにより、編隊がリーダーに対して所定のオフセットを保った正方形パターンを維持し、リーダーの円運動および垂直軌道を正確に追従することが確認された。
• 理論的安定性解析により、有向通信グラフ（有向スパニングツリーを有するもの）においても、システムが漸近的収束の意味で協調的軌道追従を達成することが証明された。