[논문 리뷰] High-Gain Disturbance Observer for Robust Trajectory Tracking of Quadrotors

Mohammadreza Izadi, Reza Faieghi|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 30.

Adaptive Control of Nonlinear Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 외부 교란을 실시간으로 추정하고 슬라이딩 모드 제어(SMC) 법칙에 피드백하여 강건성을 향상시키는 고이득 교란 관측기(HGDO)를 제안한다. HGDO는 라플라스 안정성 분석을 통해 교란 추정의 빠른 수렴과 경계가 보장된 추적 오차를 보장하며, 시뮬레이션 및 하드웨어 실험 모두에서 바람, 지면 효과, 모델링되지 않은 동역학성에 의한 정밀도 향상과 정확도 향상에 기여한다.

ABSTRACT

This paper presents a simple method to boost the robustness of quadrotors in trajectory tracking. The presented method features a high-gain disturbance observer (HGDO) that provides disturbance estimates in real-time. The estimates are then used in a trajectory control law to compensate for disturbance effects. We present theoretical convergence results showing that the proposed HGDO can quickly converge to an adjustable neighborhood of actual disturbance values. We will then integrate the disturbance estimates with a typical robust trajectory controller, namely sliding mode control (SMC), and present Lyapunov stability analysis to establish the boundedness of trajectory tracking errors. However, our stability analysis can be easily extended to other Lyapunov-based controllers to develop different HGDO-based controllers with formal stability guarantees. We evaluate the proposed HGDO-based control method using both simulation and laboratory experiments in various scenarios and in the presence of external disturbances. Our results indicate that the addition of HGDO to a quadrotor trajectory controller can significantly improve the accuracy and precision of trajectory tracking in the presence of external disturbances.

연구 동기 및 목표

• 바람 돌기, 기류 왜곡, 지면 효과와 같은 외부 교란이 큼직로터의 궤적 추적 성능을 떨어뜨리는 문제를 해결한다.
• 슬라이딩 모드 및 적응 관측기에서의 높은 복잡성, 계산 부담, 튜닝 난이도 등의 문제점을 해결한다.
• 고이득 관측기 원리를 활용하여 단순하고 계산 효율적이며 쉽게 튜닝 가능한 교란 관측기를 개발한다.
• 표준 강건 제어기(슬라이딩 모드 제어)와 HGDO를 통합하여 더 복잡한 모델이 필요 없이 교란 제거 성능을 향상시킨다.
• 다양한 교란 조건 하에서 시뮬레이션 및 실제 실험을 통해 HGDO 기반 제어 프레임워크의 효과성을 입증한다.

제안 방법

• 측정 노이즈 증폭 문제를 완화하기 위해 보조 변수 기법을 기반으로 한 고이득 교란 관측기(HGDO)를 설계하여 노이즈 환경에서도 강건성을 확보한다.
• 큐버트로터의 전체 6자유도 동역학을 제2차 제어 가능 표준형으로 구성하여 위치 및 자세에 영향을 주는 교란을 직접 추정할 수 있도록 한다.
• 관측기 튜닝을 위한 단일 스칼라 이득 파rameter를 사용하여, 적응 또는 슬라이딩 모드 관측기 대비 설계 복잡성을 감소시킨다.
• HGDO의 추정치를 슬라이딩 모드 제어(SMC) 법칙에 통합하여 교란을 능동적으로 보상함으로써 궤적 추적 성능을 향상시킨다.
• 리아프노프 안정성 분석을 수행하여 교란 추정 오차 및 궤적 추적 오차의 반구간 균일 최종 유계성을 증명한다.
• 상태 추정을 위해 확장 칼만 필터를 구현하고, SMC 위에 HGDO를 추가 계층으로 통합하여 실시간 교란 보정을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고이득 교란 관측기(HGDO)는 외부 교란 하에서 큼직로터 궤적 추적에 대해 신속하고 정확한 교란 추정을 달성할 수 있는가?
• RQ2 HGDO를 슬라이딩 모드 제어기와 통합하면, 교란 추정 없이 표준 SMC보다 궤적 추적 정확도와 강건성을 향상시키는가?
• RQ3 측정 노이즈와 모델링되지 않은 동역학성 존재 하에서, 특히 지면 효과나 급격한 조작 조건에서 HGDO는 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 바람과 지면 효과와 같은 현실적인 교란 조건 하에서 HGDO 기반 제어 시스템은 경계가 보장된 추적 오차 및 추정 오차를 유지할 수 있는가?
• RQ5 HGDO 프레임워크는 슬라이딩 모드 제어를 초월한 라플라스 기반 제어기로 일반화 가능한가?

주요 결과

• HGDO는 진짜 교란 주변으로 조정 가능한 이웃 영역으로 교란 추정 오차의 신속한 수렴을 달성하며, 짧은 일시적 응답 시간을 보인다.
• 정지 위치 실험에서 SMC+HGDO 방법은 SMC 단독 대비 더 높은 추적 정확도를 달성했으며, 교란이 없는 경우에도 모델링되지 않은 동역학성 보정으로 인해 SMC를 초월하는 성능을 보였다.
• 원형 경로 추적 실험에서 HGDO 기반 제어기는 SMC 대비 위치 추적 오차를 크게 감소시켜 모델링되지 않은 동역학성에 대한 효과성을 입증했다.
• 착륙 과정에서 HGDO는 지면 효과로 인한 더 큰 교란, 특히 z축 방향에서 효과적으로 추정했으며, 더 일관되고 정확한 착지 위치를 제공했다.
• 교란 추정 플롯은 HGDO가 명시된 모델에서 완전히 반영되지 않은 지면 효과 교란을 포착했음을 확인했으며, 복잡하고 시간에 따라 변화하는 교란을 추정할 수 있음을 검증했다.
• 실험 결과는 이론적 안정성 보장을 확인했으며, 바람 교란과 지면 효과를 포함한 모든 시나리오에서 경계가 보장된 추적 오차 및 추정 오차를 유지함을 보여주었다.