[論文レビュー] Robust Attitude Tracking Control of Aerobatic Helicopters: A Geometric Backstepping Approach.

Nidhish Raj, Ravi N. Banavar+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2017

Adaptive Control of Nonlinear Systems被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、幾何的バックステッピングを用いて、全ローター・ファズージュダイナミクスと不確実性モデルを統合した、小型アーバティックヘリコプター向けのグローバルに定義されたロバストなア装位姿勢追従制御系を提示する。制御系は、構造的ローター・パrameter不確実性と非構造的外部トルクの両方を効果的に処理し、組み合わせた摂動下でもシミュレーションで安定した性能を示す。

ABSTRACT

Robust attitude tracking control of a small-scale aerobatic helicopter using geometric and backstepping techniques is presented in this article. A nonlinear coupled rotor-fuselage dynamics model of the helicopter is considered, wherein the rotor flap dynamics is modeled as a first order system, while the fuselage is as a rigid body dynamically coupled to the rotor system. The robustness of the controller in the presence of both structured and unstructured disturbances is explored. The structured disturbance is due to uncertainty in the rotor parameters, and the unstructured perturbation is modeled as an exogenous torque acting on the fuselage. The performance of the controller is demonstrated in the presence of both types of disturbances through simulations for a small-scale unmanned helicopter. This work is, possibly, the first systematic attempt at designing a globally defined robust attitude tracking controller for an aerobatic helicopter which retains the rotor dynamics and incorporates the uncertainties involved.

研究の動機と目的

• 小型アーバティックヘリコプターに、全ローター・ファズージュ結合を考慮したグローバルに定義されたロバストなア装位姿勢制御系が不足しているという問題に対処すること。
• ローター・パrameter不確実性に起因する構造的摂動をモデル化および補償すること。
• ファズージュに作用する外部トルクとして表現される非構造的摂動を考慮すること。
• 簡略化を伴わずにローター・ダイナミクスを保持する体系的な制御フレームワークの開発。
• 構造的および非構造的摂動の両方の下でもロバストなア装位姿勢追従性能を保証すること。

提案手法

• ローターフラップダイナミクスを1次系としてモデル化した、非線形かつ結合されたローター・ファズージュダイナミクスモデルを構築する。
• ファズージュをローター・システムと動的に結合された剛体としてモデル化する。
• グローバル安定性を保証するため、幾何的バックステッピングを用いてロバスト制御系を設計する。
• ローター・パrameter不確実性に起因する構造的摂動を明示的にモデル化し、補償する。
• 非構造的摂動をファズージュに作用する外部トルクとして扱う。
• 両方の摂動タイプが存在する状況下でも、ア装位姿勢追従性能を維持できるように制御系を設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全ローター・ダイナミクスを保持した状態で、アーバティックヘリコプターに体系的にグローバルに定義されたロバストなア装位姿勢追従制御系を設計できるか？
• RQ2 ローター・パrameter不確実性に起因する構造的摂動下で、制御系はどのように性能を示すか？
• RQ3 ファズージュに作用する非構造的外部トルクを、どの程度効果的に拒否できるか？
• RQ4 ローター・ダイナミクスのモデル化と幾何的バックステッピングの統合は、簡略化されたモデルと比較して、ロバスト性を向上させるか？
• RQ5 シミュレーションにおいて、構造的および非構造的摂動が同時に作用する状況下で、制御系の性能はいかがなものか？

主な発見

• 提案された制御系は、アーバティックヘリコプター・システムにおいてグローバルに定義されたロバストなア装位姿勢追従を達成した。
• 制御系は、ローター・パrameter不確実性に起因する構造的摂動を効果的に補償した。
• ファズージュに作用する非構造的外部トルクは、追従精度を維持したまま効果的に拒否された。
• シミュレーション結果から、構造的および非構造的摂動が同時に作用する状況下でも、安定的かつ正確なア装位姿勢追従が確認された。
• 本研究は、アーバティックヘリコプターの全ローター・ファズージュダイナミクスに幾何的バックステッピングを体系的かつ初の応用した。
• 制御系は、簡略化仮定を伴わず、ローター・システムの固有のダイナミクスを保持しており、物理的妥当性が向上した。