[論文レビュー] Hybrid 3-D Formation Control for Unmanned Helicopters

Ali Karimoddini, Hai Lin+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2011

Petri Nets in System Modeling参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、球面状態空間の抽象化と多アフィン関数を用いて、無人ヘリコプターの3次元リーダーフォロワー編隊制御のためのハイブリッド監視制御フレームワークを提案する。状態空間を球面領域に分割し、システムを有限状態離散イベントシステム（DES）としてモデル化することで、編隊獲得・維持・衝突回避を保証するモジュラーデザインの論理スーパvisorの設計を可能にした。ハードウェアインザループシミュレーションによる検証で、収束性と安定性が確認された。

ABSTRACT

Teams of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) form typical networked cyber-physical systems that involve the interaction of discrete logic and continuous dynamics. This paper presents a hybrid supervisory control framework for the three-dimensional leader follower formation control of unmanned helicopters. The proposed hybrid control framework captures internal interactions between the decision making unit and the path planner continuous dynamics of the system, and hence improves the system's overall reliability. To design such a hybrid controller, a spherical abstraction of the state space is proposed as a new method of abstraction. Utilizing the properties of multi-affine functions over the partitioned space leads to a finite state Discrete Event System (DES) model, which is shown to be bisimilar to the original continuous-variable dynamical system. Then, in the discrete domain, a logic supervisor is modularly designed for the abstracted model. Due to the bisimilarity between the abstracted DES model and the original UAV dynamics, the designed logic supervisor can be implemented as a hybrid controller through an interface layer. This supervisor drives the UAV dynamics to satisfy the design requirements. In other words, the hybrid controller is able to bring the UAVs to the desired formation starting from any initial state inside the control horizon and then, maintain the formation. Moreover, a collision avoidance mechanism is embedded in the designed supervisor. Finally, the algorithm has been verified by a hardware-in-the-loop simulation platform, which is developed for unmanned helicopters. The presented results show the effectiveness of the algorithm.

研究の動機と目的

• 離散的監視論理と連続的ダイナミクスの統合により、無人ヘリコプターにおける信頼性の高い3次元編隊制御を実現すること。
• 論理とダイナミクスの間の未モデル化された相互作用が原因でシステム障害を引き起こす可能性がある、分離型制御設計の限界を克服すること。
• 統合的かつ証明可能に正しい方法で、編隊獲得・維持・車両間衝突回避を保証するハイブリッド制御フレームワークを構築すること。
• 双模擬性に基づく抽象化により、形式的検証と信頼性の高い実装を可能にする。

提案手法

• 3次元状態空間の球面抽象化を導入し、UAV間の相対位置および姿勢を、半径距離、偏角、方位角に基づいて球面領域に分割する。
• 分割された球面領域上で多アフィン関数を用いることで、軌道が隣接領域間で不変または決定論的に遷移することを保証する。
• 連続的UAVダイナミクスを、双模擬性を介して行動的同等性を保つ有限状態離散イベントシステム（DES）モデルに抽象化する。
• 監視制御理論を用いて、編隊獲得・維持・衝突回避のためのDESドメインにおけるモジュラーデザインの論理スーパvisorを設計する。
• インターフェース層を介して、離散的スーパvisor出力を連続的制御入力にマッピングし、ハイブリッド制御器がUAVを所望の編隊に誘導し、維持することを保証する。
• 本フレームワークは、リアルタイムのUAVダイナミクスと制御実行を備えたハードウェアインザループシミュレーションプラットフォームを用いて検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散的論理と連続的ダイナミクスの相互作用を考慮しつつ、信頼性の高い3次元編隊制御を実現するためのハイブリッド監視制御フレームワークは、どのように設計可能か？
• RQ2 多アフィン関数を用いた球面状態空間抽象化は、証明可能な正しさを備えた有限で双模擬的なDESモデルを、複雑なUAVシステムに提供できるか？
• RQ3 インターフェース層は、離散的スーパvisorの意思決定を連続的制御入力にマッピングする際、システムの挙動をどのように保証するか？
• RQ4 編隊維持と車両間衝突回避は、DESフレームワーク内でどのようにモジュラーデザインされ、形式的検証可能となるか？
• RQ5 本手法は、動的3次元環境下において、分離型制御アプローチに比べて、信頼性およびロバストネスの面でどの程度優れているか？

主な発見

• 提案された球面抽象化手法により、連続的3次元UAVダイナミクスが、元のシステムと双模擬な有限状態DESモデルに変換され、形式的検証が可能となった。
• ハイブリッド制御器は、円形およびマルチフォロワーの両シナリオにおいて、安定した編隊獲得・維持を達成した。UAVは制御時間内に所望の相対位置に収束した。
• マルチフォロワー編隊テストでは、両フォロワーがそれぞれ初期オフセット (−30.1, 12.1, −12.3) および (3.8, 33.4, 0) から出発し、所望の相対位置 (dx, dy, dz) = (−15, −5, 10) に到達し、維持した。
• ハードウェアインザループシミュレーションにより、コントローラーの有効性が確認され、編隊飛行中は衝突が発生せず、安定した角速度プロファイルを示した。
• 抽象化されたDESモデルと元のシステムとの双模擬関係により、離散的スーパvisorの挙動が連続的プラントに忠実に反映され、正しさが保証された。
• 本手法は、従来の2次元極座標抽象化を3次元球面幾何に拡張し、直接的な経路計画が可能となり、実世界の3次元UAVミッションへの応用性が向上した。