[논문 리뷰] Coordinated trajectory tracking of multiple vertical take-off and landing UAVs

Yao Zou, Ziyang Meng|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 09.

Adaptive Control of Nonlinear Systems인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단방향 통신 그래프와 약한 연결성을 가진 환경에서도, 국소적 정보 교환만으로 리더의 목표 궤적을 渐진적으로 추정할 수 있는 새로운 분산 추정기와 함께, 다중 VTOL UAV의 협동 궤적 추적을 위한 분산 제어 전략을 제안한다. 보조 시스템을 활용한 계층적 제어 프레임워크를 통해, 특이점 없는 명령 자세 추출이 보장되고, 위치 및 속도 오차가 점점 줄어들게 되며, 이는 리더의 궤적 추적에 성공함을 의미한다.

ABSTRACT

This paper investigates the coordinated trajectory tracking problem of multiple vertical takeooff and landing (VTOL) unmanned aerial vehicles (UAVs). The case of unidirectional information flow is considered and the objective is to drive all the follower VTOL UAVs to accurately track the trajectory of the leader. Firstly, a novel distributed estimator is developed for each VTOL UAV to obtain the leader's desired information asymptotically. With the outputs of the estimators, the solution to the coordinated trajectory tracking problem of multiple VTOL UAVs is transformed to individually solving the tracking problem of each VTOL UAV. Due to the under-actuated nature of the VTOL UAV, a hierarchical framework is introduced for each VTOL UAV such that a command force and an applied torque are exploited in sequence, then the position tracking to the estimated desired position and the attitude tracking to the command attitude are achieved. Moreover, an auxiliary system with proper parameters is implemented to guarantee the singularity-free command attitude extraction and to obviate the use of the unavailable desired information. The stability analysis and simulations effectively validate the achievement of the coordinated trajectory tracking of multiple VTOL UAVs with the proposed control approach.

연구 동기 및 목표

• 제한된 통신 범위 하에서 다중 VTOL UAV 편대의 협동 궤적 추적 문제를 해결한다.
• 이전 연구에서 제약 조건이었던 무방향 또는 대칭 통신 그래프의 가정을 벗어나, 단방향 그래프에 포함된 단방향 신장 트리가 존재하는 경우를 허용한다.
• 모든 후행 UAV가 리더의 상태에 대한 전역 지식 없이도 국소 정보만으로 리더의 궤적을 추정할 수 있도록 한다.
• 계층적 제어 아키텍처를 통해 부족한 제어 자유도를 가진 VTOL UAV의 정확한 위치 및 자세 추적을 달성한다.
• 사용할 수 없는 목표 정보 없이도 특이점 없이 안정적인 자세 명령 생성을 보장한다.

제안 방법

• 모든 후행 UAV에 대해, 이웃의 국소 정보만을 사용하여 리더의 목표 위치 및 속도를 점점 추정하는 새로운 분산 추정기를 설계한다.
• 계층적 제어 프레임워크를 구현: 먼저 궤적 추적을 위한 명령력 계산, 그 다음 자세 추적을 위한 명령 토크 유도.
• 조절 가능한 매개변수를 가진 보조 시스템을 도입하여, 명령 자세의 특이점 없는 추출을 보장하고 리더의 목표 자세에 직접 접근할 필요 없이도 제어를 가능하게 한다.
• 리아푸노프 기반 안정성 분석을 통해, 제안된 제어 법칙 하에 위치 및 속도 오차가 점점 0으로 수렴함을 증명한다.
• 백스테핑 및 필터링 기법을 제어 설계에 적용하여, VTOL UAV의 부족한 제어 자유도를 다룬다.
• 지정된 단방향 그래프 상에서 분산 최적화 문제로 제어 문제를 수립함으로써, 통신 제약 조건에 대해 확장성과 강건성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리더의 궤적을 직접 접근할 수 있는 후행 UAV의 일부만 존재할 경우, 다중 VTOL UAV가 어떻게 협동 궤적 추적을 달성할 수 있는가?
• RQ2 부족한 제어 자유도를 가진 VTOL UAV의 안정적이고 특이점 없는 자세 제어를 가능하게 하는 제어 아키텍처는 무엇인가? 이 때 리더의 목표 자세를 알 필요가 없는가?
• RQ3 비대칭적인 단방향 통신 그래프에서도 협동 추적을 달성할 수 있는가? 이는 이전 연구에서 흔히 사용되던 무방향 그래프 가정을 완화하는가?
• RQ4 국소 정보만을 사용하여 후행 상태가 리더의 궤적에 점점 수렴하도록 하는 분산 추정을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ5 보조 시스템은 사용할 수 없는 목표 정보에 의존하지 않고도 강력한 명령 자세 생성을 가능하게 하기 위해 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 분산 추정기는 각 후행 UAV가 이웃의 국소 정보만을 사용하여 리더의 목표 위치 및 속도를 점점 추정할 수 있음을 보여준다.
• 모든 후행 UAV의 위치 및 속도 추적 오차는 시뮬레이션 결과에서 점점 0으로 수렴함을 확인하였으며, 모든 오차 성분이 0에 수렴한다.
• 계층적 제어 프레임워크는 위치 제어와 자세 제어를 효과적으로 분리하여, VTOL UAV의 부족한 제어 자유도 하에서도 안정적이고 정확한 궤적 추적을 보장한다.
• 보조 시스템은 명령 자세 추출 시 특이점을 방지하고 리더의 목표 자세에 직접 접근할 필요 없이도 제어를 가능하게 하여 강건성을 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 편대가 리더에 대해 정해진 오프셋을 가진 정사각형 패턴을 유지하며, 리더의 원형 및 수직 궤적을 정확하게 추적함을 확인한다.
• 이론적 안정성 분석을 통해, 단방향 통신 그래프에 단방향 신장 트리가 존재하는 조건 하에서도 시스템이 점점 수렴하는 의미에서 협동 궤적 추적을 달성함을 입증한다.