[논문 리뷰] A Robust Model Predictive Control Approach for Underwater Robotic Vehicles Operating in a Constrained workspace.

Shahab Heshmati-Alamdari, George C. Karras외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 14.

Adaptive Control of Nonlinear Systems인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 제약 조건이 있고 장애물이 많은 환경에서 운용되는 수중 로봇 차량를 위한 강건한 비선형 모델 예측 제어(NMPC) 방식을 제안한다. 차량의 전체 역학적 특성과 해류 영향을 통합함으로써, 유리한 해류를 이용하여 추진력 사용을 최적화하고, 안정적이고 제약 조건을 준수하는 웨이포인트 추적을 실현하며 에너지 소비를 감소시킨다. 이는 4-자유도 차량을 대상으로 제약 조건이 있는 탱크에서 실험적으로 검증되었다.

ABSTRACT

This paper presents a novel Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) scheme for underwater robotic vehicles operating in a constrained workspace including static obstacles. The purpose of the controller is to guide the vehicle towards specific way points with guaranteed input and state constraints (i.e obstacle avoidance, workspace boundaries). The proposed scheme incorporates the full dynamics of the vehicle in which the ocean currents are also involved. Hence, the control inputs calculated by the proposed scheme are formulated in a way that the vehicle will exploit the ocean currents, when these are in favor of the way-point tracking mission which results in reduced energy consumption by the thrusters. The closed-loop system has analytically guaranteed stability and convergence properties. The performance of the proposed control strategy is experimentally verified using a $4$ Degrees of Freedom (DoF) underwater robotic vehicle inside a constrained test tank with obstacles.

연구 동기 및 목표

• 제약 조건이 있고 정적 장애물이 존재하는 환경에서 입력 및 상태 제약 조건을 준수하면서 수중 로봇 차량을 안내하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 차량의 전체 비선형 역학, 특히 해류의 영향까지 포함하여 예측 제어 프레임워크에 통합하기 위해.
• 웨이포인트 추적 임무 중 유리한 해류를 활용함으로써 에너지 소비를 최소화하기 위해.
• 제안된 NMPC 설정 하에서 폐쇄 루프 안정성과 수렴성을 보장하기 위해.
• 물리적 장애물과 제약 조건이 있는 실제 환경에서 제어기 성능을 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 수중 차량의 전체 4-자유도 역학을 명시적으로 모델링하는 비선형 모델 예측 제어(NMPC) 방식을 수립하기 위해.
• 해류 영향을 NMPC 최적화 문제 내 외부 간섭으로 통합하여 예측 보정과 활용을 가능하게 하기 위해.
• 경로 계획 중 장애물 회피 및 작업 영역 경계 한계를 준수하기 위해 상태 및 입력 제약 조건을 정의하기 위해.
• 정확한 웨이포인트 추적을 우선시하면서 제어 노력(추진력 사용)을 최소화하기 위해 비용 함수를 설계하기 위해.
• 각 샘플링 시간에 제어 입력을 계산하기 위해 후행 수평 최적화 접근 방식을 사용하여 실시간 적응 가능성 확보하기 위해.
• 이론적 안정성 및 수렴성 증명을 적용하여 제안된 제어기 하에서 폐쇄 루프 시스템의 강건성을 보장하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 제약 조건이 있고 장애물이 많은 환경에서 수중 차량의 안정적이고 수렴 가능한 웨이포인트 추적을 위한 NMPC를 설계할 수 있는가?
• RQ2 임무 수행 중에 얼마나 많은 정도로 해류를 활용하여 에너지 소비를 줄일 수 있는가?
• RQ3 동적인 해류 조건 하에서 상태 및 입력 제약 조건(예: 장애물 회피, 경계 한계)을 유지하는 데에 이 NMPC 방식은 얼마나 효과적인가?
• RQ4 물리적 장애물과 제약 조건이 있는 실제 실험 환경에서 제어기 성능은 어떠한가?
• RQ5 모델 불확실성과 환경 외란이 존재하는 상황에서도 제안된 NMPC 접근 방식이 폐쇄 루프 안정성과 수렴성을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 NMPC 제어기는 장애물이 있는 제약 조건이 있는 테스트 탱크를 통해 4-자유도 수중 차량을 안정적으로 이동시키며 모든 상태 및 입력 제약 조건을 준수하였다.
• 제어기는 안정적이고 수렴하는 행동을 보였으며, 실험 전반에 걸쳐 정확한 웨이포인트 추적을 달성하였다.
• 유리한 해류를 활용함으로써 제어기는 추진력 사용을 크게 줄였고, 임무 수행 중 에너지 소비가 감소하였다.
• 폐쇄 루프 시스템은 분석적으로 보장된 안정성과 수렴성을 보였으며, 제어 설계의 이론적 기반을 검증하였다.
• 실험 결과는 NMPC 방식의 실세계 조건에서의 효과성을 확인하였으며, 환경 외란과 제약 위반에 대한 강건성을 입증하였다.
• 해류 역학을 제어 프레임워크에 통합함으로써 비적응 제어 전략 대비 더 효율적인 경로 계획이 가능해졌다.