[논문 리뷰] A robust but easily implementable remote control for quadrotors: Experimental acrobatic flight tests

Maison Clouâtré, Makhin Thitsa외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 03.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 29인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 시스템 모델링이나 제어기 재조정 없이도 견고하고 액로버틱한 속도 추적을 가능하게 하는 모델리스 제어(MFC) 전략을 제시한다. 이 방법은 초국소 모델을 통해 비모델링된 동역학과 외란을 실시간으로 추정하여 다양한 드론과 심각한 손상 상태에서도 낮은 추적 오차를 달성한다. 기존 PID 제어기보다 뛰어난 견고성을 입증한다.

ABSTRACT

Experimental flight tests are reported about quadrotors UAVs via a recent model-free control (MFC) strategy, which is easily implementable. We show that it is possible to achieve acrobatic rate control of the UAV, which is beyond the previous standard. The same remote controller is tested on two physical vehicles without any re-tuning. It produces in both cases low tracking error. We show that MFC is robust even when the quadrotor is highly damaged. A video footage can be found at: https://youtu.be/wtSLalA4szc

연구 동기 및 목표

• 시스템 모델링이나 제어기 재조정이 필요 없는 견고한 모델리스 제어 전략을 개발하는 것.
• 다양한 동역학을 가진 여러 물리적 드론 플랫폼에서 제어기 성능을 검증하는 것.
• 예상치 못한 손상 상태(예: 추진기 반절 손실)에서도 제어기의 내구성을 테스트하는 것.
• 실세계 액로버틱 비행 시나리오에서 MFC 성능을 직접 PID 제어와 비교하는 것.
• 저연산 비용 플랫폼에 MFC를 구현하여 실용적인 UAV 응용에 적합한지 입증하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 초국소 모델을 사용하며, 출력의 m차수 도함수를 시간에 따라 변하는 함수 F(t)와 입력에 대한 선형항의 합으로 표현한다. 속도 제어의 경우 m=2이다.
• 초국소 모델에서 유도된 지능형 비례-미분(iPD) 제어기가 사용되며, F(t)의 실시간 추정을 통해 비모델링된 동역학과 외란을 보상한다.
• F(t)의 추정치는 슬라이딩 윈도우를 통해 y^(m)(t) - αu(t)의 평균을 계산하여 실시간 적응을 가능하게 하며, 시스템 식별이 필요 없다.
• 제어 법칙의 구조상 반복적 제어의 필요 없이 피드백 이득 K_P와 K_D를 사용하여 국소 안정성을 확보한다.
• 모든 실험에서 동일한 제어기 매개변수를 사용하며 재조정 없이 데이터 기반 적응에 의존한다.
• 이 방법은 표준 센서와 저비용 프로세서를 사용하여 드론에 내장 구현되어 실용적 구현 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모델리스 제어 전략이 시스템 모델링이나 튜닝 없이도 드론에서 안정적이고 정확한 액로버틱 속도 추적을 달성할 수 있는가?
• RQ2 다른 물리적 드론 플랫폼에 적용했을 때 MFC 제어기의 성능은 PID와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 드론의 추진기 반절이 제거되는 등 심각한 기계적 손상 상태에서도 MFC는 안정성과 낮은 추적 오차를 유지할 수 있는가?
• RQ4 중심 질량과 추진 시스템이 다름에도 불구하고, MFC는 동역학이 크게 다른 드론에서도 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ5 저연산 플랫폼에 MFC 접근법을 구현해도 실외 비행 조건에서 견고한 제어 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 액로버틱 비행 중 표준 DJI F450 드론에서 MFC 제어기는 센서 필터링 없이도 평균 절대 추적 오차가 10도/초 이하를 기록했다.
• 각 추진기의 반을 제거한 후에도 동일한 제어기는 평균 절대 오차가 20도/초 이하를 유지하여 심각한 기계적 손상에 대한 내구성을 입증했다.
• 다른 중심 질량과 균형 잡히지 않은 착륙 기구를 가진 드론(Tarot 650 Sport)으로도 성공적으로 이식되었으며, 재조정 없이도 작동했다.
• 특히 과격한 조작 상황에서, 적절하게 튜닝된 PID 제어기보다 MFC 제어기가 견고성 면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• iPD 기반 MFC 제어기는 손상당한 드론과 이질적인 드론 모두에서 안정적인 비행을 달성하여 데이터 기반 및 견고한 성질을 입증했다.
• 이 방법은 최소한의 연산 능력을 요구하여 저비용 마이크로 항공기(MAV)에의 적용에 적합하다.