[論文レビュー] Design, Modeling, and Geometric Control on SE(3) of a Fully-Actuated Hexarotor for Aerial Interaction

Ramy Abdelmonem Mohamed Rashad Hashem, Petra Kuipers+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2017

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 17被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、傾き可変かつ逆転可能なプロペラを備えた完全駆動の六脚ローターUAVの最適化に基づく設計と幾何的制御フレームワークを提示する。これにより、全方向への推力発生と強化された物理的相互作用能力を実現する。制御トルクを最大化するようにプロペラの傾き角度を最適化することで、従来の六脚ローターと比較して任意の方向に1.9倍の高い推力が達成され、SE(3)上での座標フリーな幾何的制御により、特異点のない、慣性座標系に依存しない軌道追従が保証され、シミュレーションにおいても高い性能を示す。

ABSTRACT

In this work we present the optimization-based design and control of a fully-actuated omnidirectional hexarotor. The tilt angles of the propellers are designed by maximizing the control wrench applied by the propellers. This maximizes (a) the agility of the UAV, (b) the maximum payload the UAV can hover with at any orientation, and (c) the interaction wrench that the UAV can apply to the environment in physical contact. It is shown that only axial tilting of the propellers with respect to the UAV's body yields optimal results. Unlike the conventional hexarotor, the proposed hexarotor can generate at least 1.9 times the maximum thrust of one rotor in any direction, in addition to the higher control torque around the vehicle's upward axis. A geometric controller on SE(3) is proposed for the trajectory tracking problem for the class of fully actuated UAVs. The proposed controller avoids singularities and complexities that arise when using local parametrizations, in addition to being invariant to a change of inertial coordinate frame. The performance of the controller is validated in simulation.

研究の動機と目的

• 環境との物理的相互作用が可能な完全駆動の全方向性六脚ローターUAVの設計を目的とする。
• 接触作業中に推力方向が制限され、積載能力に制限が生じる従来のマルチローターのアンダーアクチュエーションの限界を克服することを目的とする。
• 完全駆動のUAVに対して特異点のない、慣性座標系に依存しない軌道追従を保証するSE(3)上での幾何的制御の開発を目的とする。
• 動的擾乱および非ホバーモードの初期条件下でのシミュレーションを用いて、制御の性能を検証することを目的とする。

提案手法

• BulloとMurrayの枠組みに従い、局所的パラメータ化と特異点を回避するSE(3)上での幾何的制御を提案する。
• 右自明化されたねじ運動を用いて定義される構成誤差を用い、リー群SE(3)上での追従誤差ダイナミクスを表現する。
• 誤差ねじ運動の比例項と微分項を組み合わせた非線形フィードバックゲインを用いて制御則を導出する。
• リャプノフに基づく安定性解析により、構成とねじ運動の両方の追従誤差の漸近的収束を証明する。
• 軸方向の傾きのみを仮定して、制御トルクを最大化するためのプロペラの傾き角度を最適化し、最適な制御能力を達成する。
• プロペラの逆転機能により、正負の両方の推力を発生でき、全方向における力およびモーメント制御の向上が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全駆動の六脚ローターにおいて、空間のあらゆる方向にわたって制御トルクを最大化するためのプロペラの傾き配置は何か？
• RQ2 完全駆動のUAVに対して、座標系に依存せず特異点のない軌道追従を保証するSE(3)上での幾何的制御はどのように設計できるか？
• RQ3 任意のローター配置を持つ完全駆動のUAVの全クラスに適用可能な単一の幾何的制御は可能か？
• RQ4 従来の固定方向の設計と比較して、最適なプロペラの向き付けによって得られる推力およびモーメント制御能力の向上はどの程度か？
• RQ5 提案された制御は、t = 7 sにおけるインパulseトルクなどの外部擾乱に対しても、どのように対処するか？

主な発見

• 最適設計では、任意の方向への最大推力が単一ローターの1.9倍以上に達し、俊敏性と積載能力が顕著に向上する。
• UAV本体に対するプロペラの軸方向の傾きが最適なトルク性能をもたらし、任意または対称的な角度配置よりも優れる。
• 提案された幾何的制御により、t = 7 sにおけるインパulseトルク擾乱下でも、構成とねじ運動の両方の追従誤差が漸近的に収束することが保証される。
• 制御は慣性座標系の変更に対して不変であり、局所座標パラメータ化に内在する特異点を回避する。
• 図9における制御力および制御モーメントのノルムから、制御効果は有界かつ実用的であることが確認され、実装可能性が裏付けられる。
• 従来の全方向性UAV（例：8プロペラの立方体型設計）と比較して、機械的構造がより単純であり、標準的な六脚ローターへのわずかな改造で実現可能である。