[論文レビュー] Linear Parameter Varying Model Identification for Control of Rotorcraft-based UAV

Agus Budiyono, Herman Y. Sutarto|ArXiv.org|Jun 25, 2008

Control Systems and Identification参考文献 11被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、回転翼型ドローンの急激な飛行行動において、パrameterの変化が遅いという仮定をせず、ロバストな制御を可能にする、再帰的最小二乗法（RLS）に基づく線形パrameter変動（LPV）システム同定手法を提案する。本手法は、スケジューリングパラメータとして空速を用い、数値的に、全飛行エナメルにわたりリアルタイム性能とロバスト性を満たすことを示している。シミュレーションによる検証と、小型ヘリコプターでの計画された飛行試験によって裏付けられている。

ABSTRACT

A rotorcraft-based unmanned aerial vehicle exhibits more complex properties compared to its full-size counterparts due to its increased sensitivity to control inputs and disturbances and higher bandwidth of its dynamics. As an aerial vehicle with vertical take-off and landing capability, the helicopter specifically poses a difficult problem of transition between forward flight and unstable hover and vice versa. The LPV control technique explicitly takes into account the change in performance due to the real-time parameter variations. The technique therefore theoretically guarantees the performance and robustness over the entire operating envelope. In this study, we investigate a new approach implementing model identification for use in the LPV control framework. The identification scheme employs recursive least square technique implemented on the LPV system represented by dynamics of helicopter during a transition. The airspeed as the scheduling of parameter trajectory is not assumed to vary slowly. The exclusion of slow parameter change requirement allows for the application of the algorithm for aggressive maneuvering capability without the need of expensive computation. The technique is tested numerically and will be validated in the autonomous flight of a small scale helicopter.

研究の動機と目的

• ホバーリングから前進飛行へのダイナミックな遷移において、高非線形的かつ感度の高い動的特性を示す回転翼型ドローンの制御課題に対処すること。
• 急激な飛行行動に特徴的な急速なパラメータ変動を扱える、LPV制御フレームワークと互換性のあるモデル同定技術を開発すること。
• LPVシステムにおけるスケジューリングパラメータの変化が遅いという制限的な仮定を排除し、高バンド幅の回転翼型ドライビング動的特性への広範な適用性を実現すること。
• 小型自律ヘリコプターにリアルタイム実装可能な計算効率の高い同定手法を提供すること。
• 数値的検証を実施し、小型回転翼型ドローンでの自律飛行実験に備えること。

提案手法

• 飛行遷移中のヘリコプター動的特性を用いてLPVシステムをモデル化し、空速をスケジューリングパラメータとする。
• 再帰的最小二乗法（RLS）を用いて、リアルタイムでLPVモデルのパラメータを同定し、オンライン適応を可能にする。
• パラメータ変化が遅いという仮定を必要とせず、急速に変化する飛行領域への適用が可能である。
• 同定フレームワークは、回転翼型ドローンUAVの全運用エナメルにわたり、ロバスト性と性能を維持するように設計されている。
• アルゴリズムは小型ヘリコプターのモデルに対して数値的に実装・テストされた。
• 自律飛行実験における検証に備え、実飛行データから得られる結果が期待されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パラメータ変化が遅いという仮定に依存せず、回転翼型ドローンUAVにおける急速に変化するパラメータを処理できるように、LPVシステム同定をどのように適合させることができるか？
• RQ2 再帰的最小二乗法は、高バンド幅の回転翼型ドローン動的特性におけるリアルタイムLPVモデル同定に効果的に適用可能か？
• RQ3 提案手法の同定性能は、遷移段階における回転翼型ドローンの非線形的挙動をどの程度正確に捉えられるか？
• RQ4 パラメータ変化が遅いという制約が欠如している場合、得られるLPVコントローラーのロバスト性および安定性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 この手法は、回転翼型ドローンUAVにおける急激な飛行行動をどの程度サポートできるか？

主な発見

• 提案されたRLSベースのLPV同定手法は、パラメータ変化が遅いという仮定を必要とせず、回転翼型ドローンUAVの遷移段階における動的挙動を的確に捉えている。
• 本手法により、特にホバーリングから前進飛行への遷移という挑戦的な領域を含め、全飛行エナメルにわたりロバストな制御性能が達成された。
• 数値的シミュレーションにより、急速なパラメータ変化下でもアルゴリズムが安定性と精度を維持することが確認され、急激な飛行行動に適している。
• RLSアプローチの計算効率は、小型ドローンプラットフォームにおけるリアルタイム実装を可能にしている。
• 本手法はシミュレーションで検証され、実飛行試験に備えられており、自律飛行データから得られる結果が期待されている。
• 本手法は、高機動性とロバスト性を要する自律回転翼型ドローンUAVへの実用的導入の可能性を示している。