[논문 리뷰] Cascaded Incremental Nonlinear Dynamic Inversion Control for MAV Disturbance Rejection

Ewoud J. J. Smeur, Guido de Croon외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 25.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 마이크로 항공기(MAV)를 위한 계단식 증분 비선형 동역학 역행(Inverse Dynamic, INDI) 제어기를 제안한다. 자세 및 위치 제어에 INDI를 조합하여 강력한 바람 풍속 저항 성능을 달성한다. 풍동 실험에서 MAV는 10 m/s 바람 풍속을 통과할 때 평균 최대 위치 이탈이 21 cm에 불과했으며, PID 제어기 대비 7배 이상 우수한 성능을 보였다.

ABSTRACT

Micro Aerial Vehicles (MAVs) are limited in their operation outdoors near obstacles by their ability to withstand wind gusts. Currently widespread position control methods such as Proportional Integral Derivative control do not perform well under the influence of gusts. Incremental Nonlinear Dynamic Inversion (INDI) is a sensor-based control technique that can control nonlinear systems subject to disturbances. It was developed for the attitude control of manned aircraft or MAVs. In this paper we generalize this method to the outer loop control of MAVs under severe gust loads. Significant improvements over a traditional Proportional Integral Derivative (PID) controller are demonstrated in an experiment where the quadrotor flies in and out of a windtunnel exhaust at 10 m/s. The control method does not rely on frequent position updates, as is demonstrated in an outside experiment using a standard GPS module. Finally, we investigate the effect of using a linearization to calculate thrust vector increments, compared to a nonlinear calculation. The method requires little modeling and is computationally efficient.

연구 동기 및 목표

• 실내 및 실외의 MAV 비행에서 장애물 주변 또는 도시 환경에서의 바람 풍속 간섭 문제를 해결한다.
• 이론적 PID 제어기의 이득 포화 및 느린 적분 동작으로 인해 지속적이고 강력한 바람 간섭을 효과적으로 제거하지 못하는 한계를 극복한다.
• 가속도계 측정치를 이용해 간섭을 추정하고 제어 입력을 점진적으로 조정하는 센서리스, 모델리스 제어 방법을 개발한다.
• 실세계 상황, 특히 GPS 기반 실외 비행을 포함한 자세 및 위치 제어에 대해 계단식 INDI의 실현 가능성과 강건성을 입증한다.
• 선형 대비 비선형 추진력 계산 방식이 제어 정확도 및 간섭 제거 성능에 미치는 영향을 조사한다.

제안 방법

• 측정된 각加속도를 기반으로 목표값과 실제값 간의 가속도 차이를 이용해 증분 제어 입력을 계산하는 내부 루프 INDI 자세 제어기를 구현한다.
• 내부 루프 INDI를 외부 루프 INDI 위치 제어기와 연결하여, 관성측정장치(IMU)에서 얻은 선형 가속도를 이용해 위치 제어를 위한 추진력 증분을 계산한다.
• 전체 시스템 모델이나 바람 추정에 의존하지 않고, 목표값과 측정값 간의 가속도 차이를 기반으로 증분 제어 업데이트를 수행한다.
• 그림 8에 제시된 비선형 모터-추력 곡선을 통합하여 더 정확한 추진력 벡터 증분을 계산함으로써, 급격한 조작 동작 시 제어 정밀도를 향상시킨다.
• 가속도계 측정치의 노이즈를 줄이기 위해 필터링 기법을 적용하여 안정적인 제어 성능을 확보한다.
• 실시간 제어를 위해 오픈소스 Paparazzi 자율비행장치에 제어기를 통합하여 Parrot Bebop 다로터에 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 PID 제어기 대비 계단식 INDI 제어가 고속 바람 풍속에서 MAV의 간섭 제거 성능을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 비선형 추진력 계산 방식의 사용이 급격한 조작 동작 중 수직 가속도 추적 정확도에 어느 정도 향상 효과를 미치는가?
• RQ3 GPS 업데이트 빈도가 낮은 환경에서도 INDI 제어기가 강건한 성능을 유지할 수 있는가? 이를 통해 실외 비행의 신뢰성을 확보할 수 있는가?
• RQ4 기구형 변화로 인해 제어 효과성이 변화할 경우 액추에이터 포화 및 제어 할당에서 제어기가 어떻게 대처하는가?
• RQ5 요각(Yaw)의 영향을 고려하지 않을 경우 추진력 벡터 역학에 영향을 미치며, 다른 오일러 각 순서를 사용하면 성능 향상이 가능한가?

주요 결과

• 계단식 INDI 제어기는 10 m/s 풍동 유속을 통과할 때 평균 최대 위치 이탈이 단 21 cm에 그쳐, 비교적 동일한 PID 제어기의 151 cm 이탈보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였다.
• INDI 기반 제어기는 표준 GPS 업데이트만으로도 실외 비행에서 강건성을 입증하여 실제 환경 적용 가능성에 대한 타당성을 확인했다.
• 비선형 추진력 계산은 선형 근사 대비 수직 가속도 추적 오차를 감소시켰으며, 특히 급격한 조작 동작에서 뚜렷한 성능 향상을 보였다.
• 기구형 변화로 인해 추진력 요구량이 급격히 변하는 제로 기울기 각도 지점 통과 시에도 제어기가 양호한 성능을 유지했다.
• 제어 효과성의 온라인 적응 기능 덕분에 기구형 변경 후에도 제어기가 안정적으로 작동하여 재조정이 필요로 하는 경우를 줄였다.
• 초기 결과에 따르면 제어 할당에서 축 우선순위를 고려할 경우 액추에이터 포화 상황에서 성능 향상이 추가로 가능할 수 있다.