[논문 리뷰] Geometric Nonlinear Controls for Multiple Cooperative Quadrotor UAVs Transporting a Rigid Body

Farhad A. Goodarzi|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 16.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 51인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 유연한 케이블을 통해 강체를 운반하는 다중 협동 헬리코프터 드론(UAV)을 위한 기하학적 비선형 적응 제어 프레임워크를 제안한다. 다각도적 다양체 위에서 좌표에 의존하지 않는 라그랑주 수식을 사용하여 역학을 모델링하고 점점 가까워지는 안정성을 보장한다. 제어기는 불확실성 하에서도 거의 전역적 안착성을 보장하며, 철저한 안정성 분석, 시뮬레이션 및 공격적인 동작을 포함한 실제 실험을 통해 검증된다.

ABSTRACT

This dissertation presents nonlinear tracking control systems for quadrotor unmanned aerial vehicles (UAV) under the influence of uncertainties. Assuming that there exist unstructured disturbances in the translational dynamics and the attitude dynamics, a geometric nonlinear adaptive controller is developed directly on the special Euclidean group. In particular, a new form of an adaptive control term is proposed to guarantee stability while compensating the effects of uncertainties in quadrotor dynamics. Next, we derived a coordinate-free form of equations of motion for a complete model of a quadrotor UAV with a payload which is connected via a flexible cable according to Lagrangian mechanics on a manifold. The flexible cable is modeled as a system of serially-connected links and has been considered in the full dynamic model. A geometric nonlinear control system is presented to asymptotically stabilize the position of the quadrotor while aligning the links to the vertical direction below the quadrotor. Finally, we focused on the dynamics and control of arbitrary number of quadrotor UAVs transporting a rigid body payload. The rigid body payload is connected to quadrotors via flexible cables. It is shown that a coordinate-free form of equations of motion can be derived for arbitrary numbers of quadrotors and links according to Lagrangian mechanics on a manifold. A geometric nonlinear controller is presented to transport the rigid body to a fixed desired position while aligning all of the links along the vertical direction. Numerical simulation and experimental results are presented and rigorous mathematical stability analysis are provided. These results will be particularly useful for aggressive load transportation that involves large deformation of the cable.

연구 동기 및 목표

• 유연한 케이블을 사용한 다중 헬리코프터 드론(UAV)이 강체 적재물을 운반하는 데 적합한 강인한 제어 시스템을 개발한다.
• 오일러 각도나 퀼터니언에서 발생하는 특이점 문제를 피하기 위해 다각도적 다양체 위에서 좌표에 의존하지 않는 라그랑주 수식을 사용하여 시스템의 역학을 모델링한다.
• 강체를 목표 위치에 안정화시키고 모든 케이블 링크를 수직 방향으로 정렬하는 기하학적 비선형 제어기를 설계한다.
• 이동 및 자세 동역학의 비정형 외란과 불확실성 하에서도 안정성을 확보한다.
• 수치 시뮬레이션과 하드웨어 실험(360도 플립과 적재물 안정화 포함)을 통해 제어기를 검증한다.

제안 방법

• 특수 유클리드 군 SE(3) 위에서 라그랑주 역학을 사용하여 전체 동역학 시스템의 좌표에 의존하지 않는 표현을 유도한다.
• 집중 질량을 가진 강체 링크의 연쇄 구조로 유연한 케이블을 모델링하여 임의의 구성과 세그먼트 수를 허용한다.
• 이동 및 자세 동역학의 비정형 외란을 보상하기 위해 특수 직교군 SO(3) 위에 새로운 적응 제어 항을 제안한다.
• 헬리코프터 위치를 점점 가까워지게 하고 모든 케이블 링크를 수직 방향으로 정렬하는 기하학적 비선형 제어기를 설계한다.
• 시간 스케일 분리 가정 없이 철저한 수학적 안정성 분석을 수행하여 추적 오차 시스템의 거의 전역적 안착성을 증명한다.
• 모션 캡처 시스템과 실시간 제어 루프를 사용한 수치 시뮬레이션과 하드웨어 실험을 통해 접근법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유연한 케이블을 통해 다중 협동 헬리코프터 드론(UAV)이 강체를 운반하는 시스템의 역학을 좌표에 의존하지 않고 기하학적으로 일관되게 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 모델 불확실성 하에서도 강체의 위치를 점점 가까워지게 하고 모든 케이블 링크를 수직으로 정렬하기 위한 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 비정형 외란이 존재할 경우 안정성을 보장하기 위해 특수 직교군 SO(3) 위에 어떻게 적응 제어 항을 설계할 수 있는가?
• RQ4 360도 플립이나 큰 초기 자세 오차와 같은 공격적인 동작 동안 제안된 제어기가 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ5 센서 노이즈, 통신 지연, 배터리 제한과 같은 실제 세계의 외란 하에서 제어기는 어떻게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 제안된 기하학적 비선형 제어기는 이동 및 자세 동역학의 비정형 외란이 존재하더라도 추적 오차 시스템의 거의 전역적 점점 가까워지는 안정성을 보장한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 임의의 초기 조건에서 강체가 목표 위치에 안정화되고 모든 케이블 링크가 수직으로 정렬됨을 입증한다.
• 실험 결과는 360도 플립과 적재물 안정화와 같은 공격적인 동작에서도 뛰어난 성능을 보이며, 적응 제어 항이 추적 정확도를 크게 향상시킴을 보여준다.
• 센서 노이즈, 통신 지연, 모션 캡처 시스템 및 헬리코프터 동역학의 모델링 오차가 존재하더라도 제어기는 안정성과 성능을 유지한다.
• 유연한 케이블에 대해 연쇄 링크 모델을 사용함으로써 정확한 동역학 표현과 효과적인 제어가 가능해지며, 링크 수가 증가할수록 성능이 향상된다.
• 실제 실험을 통해 제어기가 검증되었으며, 영상 시연 자료가 제공되어 실용적 환경에서의 실현 가능성과 강인성을 확인한다.