[논문 리뷰] Nonlinear Model Predictive Control with Actuator Constraints for Multi-Rotor Aerial Vehicles

Davide Bicego, Jacopo Mazzetto외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 19.

Adaptive Control of Nonlinear Systems인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 선형화, 계단식 제어, 그리고 허구적 제약 조건과 같은 일반적인 단순화를 피하면서, 임의의 위치와 방향을 가진 로터를 갖춘 다중 로터 비행체를 위한 온라인 비선형 모델 예측 제어(NMPC) 방법을 제안한다. 힘의 도함수를 입력으로 간주하고, 새로운 액추에이터 모델을 사용함으로써 고성능의 제약 조건을 가진 제어를 가능하게 하였으며, 다양한 다중 로터 구성(부족 구동, 완전 구동, 방향 조절 가능한 프로펠러, 장애 발생 시스템 포함)에서 실시간 시뮬레이션과 실험을 통해 검증되었다.

ABSTRACT

In this paper we propose, test, and validate an online Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) method applied to multi-rotor aerial systems with arbitrarily positioned and oriented rotors. This work brings into question some common modeling and control design choices that are typically adopted in order to guarantee robustness and reliability but which may severely limit the attainable performance. In particular the proposed method \emph{does not} resort to common simplifications such as: 1) linear model approximation, 2) cascaded control paradigm used to decouple the translational and the rotational dynamics of the rigid body, and 3) use of low level reactive trackers for stabilization, 4) unconstrained system or use of fictitious constraints. The method addresses simultaneously the problem of local reference trajectory planning and that of stabilizing the vehicle dynamics. Furthermore, by considering as control inputs the derivatives of the forces generated by the multi-rotor vehicle and by means of a novel actuator modeling approach, the method avoids conservative -- and often fictitious -- input/state saturations which are present, e.g., in cascaded approaches. The control algorithm is implemented using a state-of-the-art Real Time Iteration (RTI) scheme with partial sensitivity update method. The performances of the control system are finally validated by means of real-time simulations and in real experiments, with a large spectrum of multi-rotor systems: an \emph{under-actuated} quadrotor, a \emph{fully actuated} hexarotor, a multi-rotor with \emph{orientable} propellers, and a multi-rotor with an unexpected \emph{rotor failure}.

연구 동기 및 목표

• 다중 로터 시스템에서 일반적으로 사용되는 제어 단순화로 인해 발생하는 성능 제약을 극복하기 위해.
• 이동 경로 계획과 안정화를 동시에 처리할 수 있는 통합된 제어 프레임워크를 개발하기 위해.
• 계단식 제어 아키텍처에서 흔히 도입되는 보수적 또는 허구적인 입력 및 상태 포화를 제거하기 위해.
• 실제 액추에이터 제약 조건, 특히 고장 발생 및 비표준 구성에서의 제어에 대한 강건성을 확보하기 위해.
• 부족 구동, 완전 구동, 방향 조절 가능한 프로펠러, 장애 발생 시스템을 포함한 다양한 다중 로터 플랫폼에서 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 로터가 생성하는 힘의 도함수를 제어 입력으로 사용하여 NMPC를 수립함으로써, 더 부드럽고 정밀한 제어 입력 할당을 가능하게 한다.
• 물리적 제약 조건을 정확히 표현하기 위해 새로운 액추에이터 모델링 기법을 도입하여 인위적이거나 보수적인 포화 모델을 피한다.
• 지역 기반 참조 경로 계획과 차량 안정화를 하나의 최적화 문제에 통합함으로써 계단식 제어 아키텍처가 필요 없도록 한다.
• 실시간 계산 가능성을 확보하기 위해 부분 민감도 업데이트를 적용한 실시간 반복(RTI) 기법을 사용한다.
• 로터의 임의의 위치와 방향을 명시적으로 고려함으로써 비표준 다중 로터 구성에 적용 가능하도록 한다.
• 선형화를 피하고 반응형 저수준 추적기를 사용하지 않고, 전체 상태 피드백 제어를 위한 직접적인 비선형 최적화에 의존한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 NMPC 프레임워크는 다중 로터 차량에서 선형화 및 계단식 제어 아키텍처를 피함으로써 뛰어난 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 액추에이터 제약 조건을 현실적으로 모델링하면, 제어 설계에서 허구적이거나 보수적인 포화 한계를 피할 수 있는가?
• RQ3 통합된 NMPC 접근 방식이 동역학을 분리하지 않고도 경로 계획과 안정화를 동시에 얼마나 잘 처리할 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법은 로터 고장이나 방향 조절 가능한 프로펠러와 같은 극단적인 구성에서도 안정성과 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ5 다양한 다중 로터 플랫폼에서 NMPC 접근 방식의 실시간 계산 가능성과 강건성은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 NMPC 방법은 부족 구동 큐드로터와 완전 구동 헥사로터 시스템을 포함한 다양한 구성에서 다중 로터 차량의 안정화 및 제어를 성공적으로 수행하였다.
• 로터 고장 상황에서도 안정 비행을 달성하여 예기치 않은 하드웨어 열화에 대한 강건성을 입증하였다.
• 힘의 도함수 입력과 정확한 액추에이터 모델링을 통해 허구적이거나 보수적인 포화 제약 조건이 필요 없어졌으며, 제어 능력과 성능이 향상되었다.
• 실시간 시뮬레이션과 물리적 실험을 통해 방법의 계산 가능성과 강건성이 다양한 플랫폼에서 확인되었다.
• 이중 분리 근사치를 피하고 전역적으로 연결된 이동 및 회전 동역학을 허용함으로써, 전통적인 계단식 제어 방법보다 우수한 성능을 보였다.
• 부분 민감도 업데이트를 적용한 RTI 기법 덕분에 실시간 동작이 가능해져, 임베디드 시스템에 실용적으로 구현 가능한 것으로 나타났다.