[論文レビュー] Onboard Multivariable Controller Design for a Small Scale Helicopter Using Coefficient Diagram Method

Agus Budiyono|ArXiv.org|Jun 4, 2008

Control Systems and Identification参考文献 9被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、ホバーフライトおよび巡航飛行中に高い性能を発揮するため、小型ヘリコプターのオンボード多変数制御系を、係数図法（CDM）を用いて提案する。CDMに基づく設計は、安定性、ロバスト性、時間領域応答指標を統合し、高感度で高帯域の動的特性を効果的に制御する低レベル制御系を、ハイブリッド監視制御アーキテクチャ内で実現する。実時間制約下でも成功裏に検証され、望ましい動的応答が達成された。

ABSTRACT

A mini scale helicopter exhibits not only increased sensitivity to control inputs and disturbances, but also higher bandwidth of its dynamics. These properties make model helicopters, as a flying robot, more difficult to control. The dynamics model accuracy will determine the performance of the designed controller. It is attractive in this regards to have a controller that can accommodate the unmodeled dynamics or parameter changes and perform well in such situations. Coefficient Diagram Method (CDM) is chosen as the candidate to synthesize such a controller due to its simplicity and convenience in demonstrating integrated performance measures including equivalent time constant, stability indices and robustness. In this study, CDM is implemented for a design of multivariable controller for a small scale helicopter during hover and cruise flight. In the synthesis of MIMO CDM, good design common sense based on hands-on experience is necessary. The low level controller algorithm is designed as part of hybrid supervisory control architecture to be implemented on an onboard computer system. Its feasibility and performance are evaluated based on its robustness, desired time domain system responses and compliance to hard-real time requirements.

研究の動機と目的

• 小型ヘリコプターは高感度で高帯域を示すため、制御が困難であり、これを克服するためのロバストで高精度な制御が求められる。
• 未モデル化のダイナミクスやパrameter変動に対しても性能を維持できるオンボード多変数制御系を開発する。
• 係数図法（CDM）を用いて、安定性、ロバスト性、時間領域応答指標を統合したシステム的な制御系合成を実施する。
• 制御系がハードリアルタイム要件を満たし、組み込みシステム上で実装可能であることを保証する。
• シミュレーションと動的応答・ロバスト性の評価を通じて、制御系の実現可能性と性能を検証する。

提案手法

• 多入力多出力（MIMO）ヘリコプター系に対して、係数図法（CDM）を適用し、等価時定数や安定性マージンといった性能指標を組み込む能力を活用して多変数制御系を設計する。
• 実務経験に基づく設計原則を用いて制御系を合成し、モデル不確実性に対する実用的でロバストな性能を確保する。
• 低レベル制御系をハイブリッド監視制御アーキテクチャに統合し、オンボードコンピュータシステムにおけるリアルタイム実装を可能にする。
• 時間領域応答解析と安定性インデックスを用いて、上昇時間、安定化時間、ロバスト性といった性能指標を評価する。
• ホバーフライトおよび巡航飛行の両状態で制御系をテストし、適応性と動的応答を評価する。
• 等価時定数と安定性インデックスを制御系合成に直接統合することで、性能とロバスト性のバランスが取れた体系的な制御系設計を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高帯域の動的帯域を示す小型ヘリコプターに対して、ロバスト性と望ましい時間領域応答を確保する多変数制御系をどのように設計できるか？
• RQ2 係数図法（CDM）は、多入力多出力（MIMO）ヘリコプター制御系において、安定性、ロバスト性、過渡応答を一体的に最適化できるか、その程度はいかほどか？
• RQ3 モデル不確実性下でも性能を維持しつつ、CDMに基づく制御系をオンボードコンピュータシステム上でリアルタイムに効果的に実装できるか？
• RQ4 ホバーフライトおよび巡航飛行の両フェーズにおいて、制御系の動的応答および外部不審への耐性はどのように評価できるか？
• RQ5 設計の直感的感覚（design common sense）は、複雑なヘリコプターの動的特性にCDMを効果的に適用するうえで、どのような役割を果たすか？

主な発見

• CDMに基づく制御系は、ホバーフライトおよび巡航飛行の両状態で、望ましい時間領域応答（上昇時間と安定化時間の両方が妥当）を達成した。
• 安定性インデックスと性能指標から、未モデル化のダイナミクスやパrameter変動に対しても制御系がロバストであることが示された。
• ハードリアルタイム要件を満たしており、組み込みシステムへのオンボード実装の実現可能性が確認された。
• CDMフレームワーク内に等価時定数と安定性インデックスを統合することで、バランスの取れた体系的な制御系設計が可能になった。
• ハイブリッド監視アーキテクチャに統合された低レベル制御系により、動的飛行状態下でも信頼性が高く応答性の高い制御が実現された。
• 本研究は、小型ヘリコプター系において、CDMが多変数制御系を合成するための実用的で効果的な手法であることを確認した。