[논문 리뷰] Coordinated Path Following Control of Fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles

Hao Chen, Yirui Cong외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 13.

Distributed Control Multi-Agent Systems참고 문헌 39인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고정익 드론에서 최소 정류 속도 및 최대 각속도 제약 조건을 고려한 통합 경로 추적을 위한 하이브리드 제어 법칙을 제안한다. 경로 추적 오차에 기반해 드론을 조율 또는 단일 에이전트 수준에서 운영함으로써, 경로 오차와 목적지 간 드론 간 호의 길이 오차가 점점 수렴하도록 보장하며, MATLAB 및 하드웨어 인 더 루프 시뮬레이션을 통해 검증된다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the problem of coordinated path following for fixed-wing UAVs with speed constraints in 2D plane. The objective is to steer a fleet of UAVs along the path(s) while achieving the desired sequenced inter-UAV arc distance. In contrast to the previous coordinated path following studies, we are able through our proposed hybrid control law to deal with the forward speed and the angular speed constraints of fixed-wing UAVs. More specifically, the hybrid control law makes all the UAVs work at two different levels: those UAVs whose path following errors are within an invariant set (i.e., the designed coordination set) work at the coordination level; and the other UAVs work at the single-agent level. At the coordination level, we prove that even with speed constraints, the proposed control law can make sure the path following errors reduce to zero, while the desired arc distances converge to the desired value. At the single-agent level, the convergence analysis for the path following error entering the coordination set is provided. We develop a hardware-in-the-loop simulation testbed of the multi-UAV system by using actual autopilots and the X-Plane simulator. The effectiveness of the proposed approach is corroborated with both MATLAB and the testbed.

연구 동기 및 목표

• 고정익 드론에서 최소 정류 속도 및 최대 각속도 제약 조건을 고려한 통합 경로 추적 제어 법칙의 부족을 해결하기 위해.
• 다수의 고정익 드론이 사전 정의된 경로를 따라가면서도 목적지 간 드론 간 호의 길이를 유지할 수 있는 제어 전략을 설계하기 위해.
• 정류 속도 및 회전 속도 제약 조건이 존재하는 상황에서도 경로 추적 오차와 조율 오차의 수렴을 보장하기 위해.
• 실제 자율비행장치와 X-Plane를 사용한 시뮬레이션 및 하드웨어 인 더 루프 테스트를 통해 접근 방식을 검증하기 위해.

제안 방법

• 경로 추적 오차가 사전 정의된 불변 조율 집합 내에 있는지 여부에 따라 조율 또는 단일 에이전트 제어 모드를 전환하는 하이브리드 제어 법칙을 설계하였다.
• 조율 수준에서 라플라스 기반 안정성 분석을 통해 정류 속도 및 각속도 제약 조건 하에서 경로 추적 오차가 0으로 수렴하고 목적지 호 길이가 달성됨을 증명하였다.
• 단일 에이전트 수준에서 오차 동역학과 라플라스 함수를 사용하여 경로 추적 오차가 조율 집합으로 수렴함을 분석적으로 증명하였다.
• 조율 집합은 드론의 속도 제약 조건을 고려하고 경로 오차 및 조율 오차의 수렴을 보장하는 최적화 문제를 통해 정의되었다.
• 공기 속도를 필요할 때만 조정하는 ReSetValue 메커니즘이 포함되어 있어 안정성을 확보하고 불필요한 속도 변화를 방지한다.
• 실제 자율비행장치와 X-Plane 시뮬레이터를 사용하여 실제 조건에서의 검증을 위한 하드웨어 인 더 루프(HIL) 테스트베드를 개발하였다.

Figure 4: An illustration of the state trajectory in Case 3 when initially $\phi_{i}(t_{0})\in\{(\rho_{i},\psi_{i})\colon\vartheta_{i}=0\}$ .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정익 드론에서 최소 정류 속도 및 최대 각속도 제약 조건을 고려한 통합 경로 추적 제어 법칙을 설계할 수 있는가?
• RQ2 정류 속도 및 회전 속도 제약 조건 하에서 곡선 경로를 따라가면서 드론 간 목적지 호 길이를 유지할 수 있는가?
• RQ3 이러한 제약 조건 하에서 경로 추적 오차 및 조율 오차의 수렴을 보장하는 제어 아키텍처는 무엇인가?
• RQ4 제안된 하이브리드 제어 법칙은 실제 하드웨어 인 더 루프 환경에서 검증될 수 있는가?
• RQ5 드론의 속도 및 곡률 제약 조건을 고려하면서도 수렴을 보장할 수 있도록 조율 집합을 어떻게 파arameter화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 제어 법칙은 정류 속도 및 각속도 제약 조건 하에서도 경로 추적 오차가 점점 0으로 수렴함을 보장한다.
• 목적지 간 드론 간 호 길이가 지정된 값으로 수렴하여 원하는 편대 패턴을 달성한다.
• 조율 집합은 드론의 속도 및 곡률 제한을 고려하고 수렴을 보장하는 최적화 문제를 통해 정의된다.
• 하드웨어 인 더 루프 시뮬레이션 결과는 실제 자율비행장치와 X-Plane를 사용하여 제어 법칙의 효과성을 확인한다.
• 조율 집합 내에 있을 경우 경로를 따라 상대 속도가 음수가 되지 않도록 하여 추월을 방지한다.
• ReSetValue 메커니즘은 공기 속도를 필요할 때만 조정하며, 결과적으로 속도가 타당 범위 [v_min, v_max] 내에 유지된다.

Figure 6: Trajectories of six UAVs following a circle, with the green wedges indicating the initial positions and headings for each UAV, blue ones indicating the states when the UAVs enter $\mathcal{S}_{1}$ , black ones indicating the final states.