[论文解读] Coordinated trajectory tracking of multiple vertical take-off and landing UAVs

Yao Zou, Ziyang Meng|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Adaptive Control of Nonlinear Systems被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种用于多架VTOL无人机协同轨迹跟踪的分布式控制策略，采用一种新型分布式估计算法，仅通过局部信息交换即可渐近获取领导者期望轨迹。通过采用带有辅助系统的分层控制框架，该方法确保了无奇异性的指令姿态提取，并在具有弱连通性的有向通信图下实现了位置和速度误差的渐近收敛。

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.

研究动机与目标

• 解决在通信范围受限条件下多架VTOL无人机编队中协同轨迹跟踪的挑战。
• 通过允许具有有向生成树的有向图，克服先前工作中对无向或对称通信图的限制性假设。
• 使每个跟随者无人机仅通过本地信息估计领导者轨迹，避免依赖对领导者状态的全局知识。
• 通过分层控制架构实现欠驱动VTOL无人机的精确位置与姿态跟踪。
• 确保姿态指令生成的鲁棒性并避免奇异性，且无需依赖不可用的期望信息。

提出的方法

• 为每个跟随者无人机设计一种新型分布式估计算法，仅利用邻居的局部信息渐近估计领导者期望位置与速度。
• 实施分层控制框架：首先计算用于位置跟踪的指令力，然后推导用于姿态跟踪的指令力矩。
• 引入一个参数可调的辅助系统，以确保无奇异性的指令姿态提取，从而消除对直接访问领导者期望姿态的需求。
• 采用基于李雅普诺夫的稳定性分析，证明在所提出的控制律下，位置与速度误差可渐近收敛至零。
• 在控制设计中应用反步法与滤波技术，以处理VTOL无人机的欠驱动动力学特性。
• 将控制问题表述为在有向图上进行的分布式优化任务，确保系统在通信约束下的可扩展性与鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当仅部分跟随者可直接获取领导者轨迹时，多架VTOL无人机如何实现协同轨迹跟踪？
• RQ2 何种控制架构可实现欠驱动VTOL无人机的稳定、无奇异性姿态控制，且无需了解领导者期望姿态？
• RQ3 在非对称的有向通信图下是否仍可实现协同跟踪，从而放宽先前工作中常见的无向图假设？
• RQ4 如何设计分布式估计算法，以确保仅通过本地信息即可实现跟随者状态对领导者轨迹的渐近收敛？
• RQ5 辅助系统在无需依赖不可用期望信息的前提下，如何实现鲁棒的指令姿态生成？

主要发现

• 分布式估计算法使每个跟随者无人机能够仅通过邻居的局部信息渐近估计领导者期望位置与速度。
• 仿真结果表明，所有跟随者无人机的位置与速度跟踪误差均渐近收敛至零，所有误差分量均趋近于零。
• 分层控制框架成功解耦了位置与姿态控制，在VTOL无人机的欠驱动动力学下确保了稳定且精确的轨迹跟踪。
• 辅助系统防止了指令姿态提取中的奇异性，并消除了对直接访问领导者期望姿态的需求，从而增强了系统鲁棒性。
• 仿真结果证实，编队保持了相对于领导者的预定偏移量的方形构型，且无人机能够精确跟踪领导者沿圆形与垂直轨迹的运动。
• 理论稳定性分析证明，即使在具有有向生成树的有向通信图下，系统仍能实现渐近收敛意义上的协同轨迹跟踪。