[論文レビュー] Nonlinear Model Predictive Control with Actuator Constraints for Multi-Rotor Aerial Vehicles

Davide Bicego, Jacopo Mazzetto+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2019

Adaptive Control of Nonlinear Systems被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、回転翼の配置や向きが任意に設定されたマルチローター航空機を対象としたオンライン非線形モデル予測制御（NMPC）手法を提示する。線形化やカスケード制御、仮想的な制約といった一般的な簡略化を回避する。力の変化率を制御入力として扱い、新規のアクチュエータモデルを用いることで、高精度で制約付きの制御を実現。実時間シミュレーションおよび実験により、アンダーアクチュエーテッド、フルアクチュエーテッド、可動プロペラ、故障したプロペラを含む多様なマルチローター構成において、高性能な制御が検証された。

ABSTRACT

In this paper we propose, test, and validate an online Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) method applied to multi-rotor aerial systems with arbitrarily positioned and oriented rotors. This work brings into question some common modeling and control design choices that are typically adopted in order to guarantee robustness and reliability but which may severely limit the attainable performance. In particular the proposed method \emph{does not} resort to common simplifications such as: 1) linear model approximation, 2) cascaded control paradigm used to decouple the translational and the rotational dynamics of the rigid body, and 3) use of low level reactive trackers for stabilization, 4) unconstrained system or use of fictitious constraints. The method addresses simultaneously the problem of local reference trajectory planning and that of stabilizing the vehicle dynamics. Furthermore, by considering as control inputs the derivatives of the forces generated by the multi-rotor vehicle and by means of a novel actuator modeling approach, the method avoids conservative -- and often fictitious -- input/state saturations which are present, e.g., in cascaded approaches. The control algorithm is implemented using a state-of-the-art Real Time Iteration (RTI) scheme with partial sensitivity update method. The performances of the control system are finally validated by means of real-time simulations and in real experiments, with a large spectrum of multi-rotor systems: an \emph{under-actuated} quadrotor, a \emph{fully actuated} hexarotor, a multi-rotor with \emph{orientable} propellers, and a multi-rotor with an unexpected \emph{rotor failure}.

研究の動機と目的

• マルチローター・システムにおける一般的な制御の簡略化によって引き起こされる性能制限を克服すること。
• 並進および回転運動のダイナミクスを分離せずに、同時に軌道計画と安定化を処理できる統一された制御フレームワークを開発すること。
• カスケード制御アーキテクチャで一般的に導入される保守的または仮想的な入力および状態の飽和を排除すること。
• 故障や非標準的な構成下でも、現実的なアクチュエータ制約を考慮したロバストな制御を可能にすること。
• アンダーアクチュエーテッド、フルアクチュエーテッド、可動プロペラ、故障したプロペラを含む多様なマルチローター・プラットフォームにおいて、手法の有効性を検証すること。

提案手法

• ローターが発生する力の変化率を制御入力として用いることで、より滑らかで高精度な制御入力割り当てを実現するNMPCを定式化する。
• 物理的制約を正確に表現するための新規なアクチュエータモデル化手法を導入し、人工的または保守的な飽和モデルを回避する。
• 局所的参照軌道計画と車両の安定化を1つの最適化問題に統合することで、カスケード制御構造の必要性を排除する。
• 実時間計算実行可能性を確保するため、部分的感度更新を伴うリアルタイムイテレーション（RTI）スキームを採用する。
• 任意に配置・配置されたローターを明示的に扱うことで、非標準的なマルチローター構成への適用を可能にする。
• 線形化や反応型低レベルトラッカーを回避し、全状態フィードバック制御に直接非線形最適化を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形MPCフレームワークは、マルチローター機において線形化やカスケード制御構造を回避することで、優れた性能を達成できるか？
• RQ2 アクチュエータ制約を現実的にモデル化することで、制御設計における仮想的または保守的な飽和制限を回避できるか？
• RQ3 統一されたNMPCアプローチが、ダイナミクスを分離せずに、同時に軌道計画と安定化を処理できる程度はどの程度か？
• RQ4 本手法は、プロペラ故障や可動プロペラなどの極端な構成下でも安定性と性能を維持できるか？
• RQ5 多様なマルチローター・プラットフォームにおいて、NMPCアプローチの実時間計算実行可能性とロバストネスはどの程度か？

主な発見

• 提案されたNMPC手法は、アンダーアクチュエーテッド・クアッドローターからフルアクチュエーテッド・ヘキサローターに至るまで、広範なマルチローター構成において、安定な飛行制御を実現した。
• プロペラ故障の状況下でも安定飛行を達成し、予期しないハードウェア劣化に対してもロバストネスを示した。
• 力の変化率を入力として用い、正確なアクチュエータモデルを採用することで、仮想的または保守的な飽和制約の必要性が排除され、制御能力と性能が向上した。
• 実時間シミュレーションおよび物理的実験により、多様なプラットフォームにおける計算実行可能性とロバストネスが確認された。
• 並進および回転運動の完全な結合を可能にするため、従来のカスケード制御手法に比べて優れた性能を発揮した。
• 部分的感度更新を伴うRTIスキームにより、実時間動作が実現され、組み込みシステムへの実用的導入に適したものとなった。