[論文レビュー] High-Gain Disturbance Observer for Robust Trajectory Tracking of Quadrotors

Mohammadreza Izadi, Reza Faieghi|arXiv (Cornell University)|May 30, 2023

Adaptive Control of Nonlinear Systems被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、四軸旋翼機の軌道追従制御のための高利得撫慰観測器（HGDO）を提案する。このHGDOは、外部の摂動をリアルタイムで推定し、それをスライディングモード制御（SMC）則にフィードバックすることで、ロバスト性を向上させる。HGDOは、リャプノフ安定性解析を用いて、摂動推定の高速収束と、有界な軌道追従誤差の保証を実現し、シミュレーションおよび実機実験において、風、地上効果、未モデル化動的特性の下でも、顕著に軌道追従の精度と正確性が向上する。

ABSTRACT

This paper presents a simple method to boost the robustness of quadrotors in trajectory tracking. The presented method features a high-gain disturbance observer (HGDO) that provides disturbance estimates in real-time. The estimates are then used in a trajectory control law to compensate for disturbance effects. We present theoretical convergence results showing that the proposed HGDO can quickly converge to an adjustable neighborhood of actual disturbance values. We will then integrate the disturbance estimates with a typical robust trajectory controller, namely sliding mode control (SMC), and present Lyapunov stability analysis to establish the boundedness of trajectory tracking errors. However, our stability analysis can be easily extended to other Lyapunov-based controllers to develop different HGDO-based controllers with formal stability guarantees. We evaluate the proposed HGDO-based control method using both simulation and laboratory experiments in various scenarios and in the presence of external disturbances. Our results indicate that the addition of HGDO to a quadrotor trajectory controller can significantly improve the accuracy and precision of trajectory tracking in the presence of external disturbances.

研究の動機と目的

• 風の強風、気流の歪み、地上効果といった外部摂動が四軸旋翼機の軌道追従性能を劣化させるという課題に対処する。
• スライディングモードおよび適応観測器における、高い複雑性、計算負荷の高さ、調整の難しさといった既存の撫慰観測器の限界を克服する。
• 高利得観測器の原理に基づき、シンプルで計算効率が良く、調整が容易な撫慰観測器を開発し、リアルタイムでの摂動推定を実現する。
• 標準的なロバスト制御（スライディングモード制御）とHGDOを統合することで、より複雑なモデルを必要とせずに摂動の抑制を向上させる。
• 多様な摂動条件下で、シミュレーションおよび実世界の実験において、HGDOに基づく制御フレームワークの有効性を実証する。

提案手法

• 測定ノイズの増幅を軽減するため、補助変数技術に基づく高利得撫慰観測器（HGDO）を設計し、ノイズ環境下でもロバスト性を確保する。
• 四軸旋翼機の全6自由度動的特性を2次コントロールラビリティ標準形に定式化し、位置および姿勢に影響する摂動の直接推定を可能にする。
• 観測器の調整に単一のスカラーゲインパラメータを用いることで、適応的またはスライディングモード観測器と比較して、実装の簡素化と設計の複雑さの低減を実現する。
• HGDOの推定値をスライディングモード制御（SMC）則に統合し、摂動を能動的に補償することで、軌道追従性能を向上させる。
• リャプノフ安定性解析を実施し、摂動推定誤差および軌道追従誤差の半グローバル一様最終有界性を証明する。
• 状態推定に拡張カルマンフィルタを実装し、HGDOをSMCの上位レイヤーとして追加することで、リアルタイムでの摂動補償を可能にする、完全な制御アーキテクチャを実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高利得撫慰観測器（HGDO）は、外部摂動下での四軸旋翼機の軌道追従制御において、高速かつ正確な摂動推定を達成できるか？
• RQ2 HGDOをスライディングモードコントローラーと統合することで、摂動推定なしの標準的SMCと比較して、軌道追従の正確性とロバスト性が向上するか？
• RQ3 測定ノイズや未モデル化動的特性の下で、HGDOは特に地上効果や急激な操舵動作といった困難な状況下でも、どのように性能を発揮するか？
• RQ4 風や地上効果といった現実的な摂動下でも、HGDOベースの制御システムは、有界な追従誤差および推定誤差を維持できるか？
• RQ5 HGDOフレームワークは、スライディングモード制御に限らず、リャプノフに基づく他の制御器にも一般化可能か？

主な発見

• HGDOは、真の摂動の周囲の調整可能な近傍に、摂動推定誤差を高速に収束させ、短い過渡応答時間を達成する。
• 位置保持実験では、SMC+HGDO法がSMC単体よりも高い追従正確性を達成しており、未モデル化動的特性の補償により、摂動なしの状況でもSMCを上回る性能を示した。
• 円弧軌道追従において、HGDOベースの制御器は、SMCと比較して位置追従誤差を顕著に低減した。これは、未モデル化動的特性に対する有効性を示している。
• 着陸時、HGDOは地上効果に起因するより大きな摂動（特にz軸方向）を正常に推定し、より一貫性があり正確な着陸位置を実現した。
• 摂動推定プロットは、HGDOが、名目モデルで完全にカバーされていない地上効果の摂動を捉えていることを確認した。これは、複雑で時間変動する摂動を推定する能力を裏付けている。
• 実験結果は理論的安定性保証を確認しており、風の摂動や地上効果を含むすべてのシナリオにおいて、有界な追従誤差および推定誤差を維持していることを示した。