[논문 리뷰] Adaptive Digital PID Control of a Quadcopter with Unknown Dynamics

Ankit Goel, Abdulazeez Mohammed Salim외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 31.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 7인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 PX4의 표준 컨트롤러를 대체하여 후행 비용 적응 제어(RCAC)-기반 적응형 PID 법칙을 사용하는 적응형 디지털 PID 자동조종장치를 제안한다. 초기에 이득을 0으로 설정함으로써, 미지의 동역학을 가진 드론에서 관성 모멘트의 급격한 변화 조건에서도 안정적인 궤도 추적 성능을 유지를 하며, 기존 PX4 컨트롤러보다 이상적인 조건 이외의 상황에서 더 뛰어난 성능을 보이며, 이득 적응이 강건하고 최적화된 튜닝이 최소한으로 필요한 것을 입증한다.

ABSTRACT

This paper develops an adaptive autopilot for quadcopters with unknown dynamics. To do this, the PX4 autopilot architecture is modified so that the feedback and feedforward controllers are replaced by adaptive control laws based on retrospective cost adaptive control (RCAC). The present paper provides a numerical investigation of the performance of the adaptive autopilot on a quadcopter with unknown dynamics. In order to reflect the absence of prior modeling information, all of the adaptive digital controllers are initialized at zero gains. In addition, moment-of-inertia of the quadcopter is varied to test the robustness of the adaptive autopilot. In all test cases, the vehicle is commanded to follow a given trajectory, and the resulting performance is examined.

연구 동기 및 목표

• 드론의 동역학이 알려져 있거나 예측 불가능하게 변화할 경우 자동조종장치 성능 저하 문제를 해결한다.
• 질량이나 관성 모멘트 변화로 인해 이상적인 조건 이외의 비행 조건에서 고정 이득 컨트롤러(예: PX4의 표준 자동조종장치)의 한계를 극복한다.
• 사전에 차량의 동역학에 대한 지식이 없이도 작동하는 적응형 제어 시스템을 개발한다. 초기 이득은 모두 0으로 설정한다.
• 관성 모멘트가 다섯 배로 증가하는 등 물리적 매개변수가 크게 변화하는 조건에서도 강건성과 일관된 성능을 입증한다.
• RCAC 초모수(P₀ 및 σ)가 닫힌 루프 시스템 응답과 컨트롤러 적응 행동에 미치는 영향을 조사한다.

제안 방법

• PX4 자동조종장치 아키텍처 내 모든 표준 P 및 PID 컨트롤러를 후행 비용 적응 제어(RCAC) 기반의 적응형 디지털 PID 컨트롤러로 교체한다.
• 매 시간 단위에서 컨트롤러 파라미터 4×4 행렬을 갱신하기 위해 순차 최소 제곱법(RLS)을 사용하여 RCAC를 구현함으로써 실시간 적응을 가능하게 한다.
• 모든 적응형 컨트롤러 이득을 초기화할 때 0으로 설정하여 사전 모델링 정보가 없음을 반영한다.
• 다양한 동역학 조건에서 성능을 평가하기 위해 적응형 자동조종장치를 드론 시뮬레이터와 통합한다.
• 관성 모멘트 행렬을 다섯 배로 조정하여 강건성과 이득 적응 동역학을 관찰한다.
• RCAC 초모수 P₀ 및 σ를 체계적으로 튜닝하여 일시적 응답과 안정성에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 단계에서 드론의 동역학이 완전히 알려져 있지 않은 상황에서 RCAC 기반 적응형 디지털 PID 컨트롤러가 안정적인 궤도 추적을 유지할 수 있는가?
• RQ2 RCAC 초모수 P₀ 및 σ는 적응형 자동조종장치의 일시적 응답과 강건성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 관성 모멘트가 다섯 배로 증가했을 경우, 적응형 자동조종장치는 기존 PX4 컨트롤러보다 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 적응형 컨트롤러 이득이 이상적인 조건 이외의 상황에서 일관된 성능을 유지하기 위해 어떻게 변화하는가?
• RQ5 재튜닝 없이도 적응형 시스템이 모델링되지 않은 또는 변화하는 물리적 매개변수를 얼마나 잘 보상할 수 있는가?

주요 결과

• 초기 이득이 0이었음에도 불구하고, 정상 조건에서는 기존 PX4 컨트롤러와 유사한 성능을 보인 적응형 PX4 자동조종장치가 성공적으로 작동했다.
• 관성 모멘트가 다섯 배로 증가했을 때, 기존 PX4 컨트롤러는 진동하는 요르 응답을 보이며 성능 저하를 보였다.
• 반면, 적응형 PX4 컨트롤러는 정상 조건과 유사한 안정적이고 진동 없는 요르 응답을 유지하여 강건성을 입증했다.
• 컨트롤러 이득은 변화한 동역학에 따라 동적으로 변화하였으며, 이상적인 조건과 이상적인 조건 이외의 조건에서 각기 다른 적응 패턴을 보였다.
• P₀의 값이 작을수록 시스템 응답이 느려졌고, σ의 값이 작을수록 전반적인 성능이 저하되었다. 이는 적응의 민감성이 초모수 튜닝에 의존함을 확인한다.
• 사전 모델링 없이도 미지의 동역학을 성공적으로 보상함으로써, RCAC 기반 적응이 실시간 비행 제어에서 효과적임을 검증했다.