[論文レビュー] Modeling and Control of Inverted Flight of a Variable-Pitch Quadrotor

Namrata Gupta, Mangal Kothari+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2017

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 17被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、ブレードピッチ制御による急速な推力変調を活用して、逆飛行やフラップマニューバーを含むアグレッシブなマニューバを可能にする可変ピッチクアッドコpter用の非線形ダイナミックインバージョン制御系を提示する。制御系は三重ループ構造—外側の軌道追従、内側の角速度制御、および推力係数の微分に基づく仮想入力を用いた制御割り当てループ—を採用し、非有理的となる推力-トルク関係に対処し、シミュレーションおよび実機飛行において姿勢安定化と軌道追従が成功裏に実証された。

ABSTRACT

This paper carries out the mathematical modeling, simulation, and control law design for a quadrotor with variable-pitch propellers. The use of variable-pitch propeller for thrust variation instead of RPM regulation facilitates generation of negative thrust, thereby augmenting the rate of change of thrust generation amenable for aggressive maneuvering. Blade element theory along with momentum theory is used to estimate propeller thrust and torque essential for formulating equation of motion of the vehicle. The proposed flight dynamics model is used for non-linear control design using dynamic inversion technique, which is then used to stabilize, track reference trajectory, and simulate flip maneuver. The rotor torque is an irrational function of the control input which makes the control design challenging. To address this problem, the control design employs three loops. The outer loop solves the translational dynamics to generate the thrust, pitch angle, and roll angle commands required to track the prescribed trajectory. Using the command generated in the outer loop, the inner loop simplifies the rotational dynamics to provide the desired rate of angular velocities. A control allocation loop is added to address the problem of nonlinearity associated with rotor torque. This is done by introducing the derivative of thrust coefficient as a virtual control input. These virtual inputs determine the derivatives of thrust and body moments, which in turn is used to generate the required thrust and body moments. The concept is validated by showing attitude stabilization in real flight for a variable pitch quadrotor. The performance of the proposed design is shown through simulated results for attitude stabilization and trajectory following. Reverse thrust capability of variable-pitch quadrotor is also shown by performing flip maneuver in which quadrotor roll angle changes from 0 to 180 degrees.

研究の動機と目的

• RPM制御帯域とトルク制限による固定ピッチクアッドコプターのアグレッシブなマニューバおよび大規模応用における限界を解消すること。
• ブレード要素理論とモーメンタム理論を用いて、可変ピッチクアッドコプターの包括的な6自由度飛行力学モデルを構築すること。
• ピッチ制御による推力制御を用いて、姿勢安定化、軌道追従、逆飛行におけるフラップマニューバーを実現可能な非線形制御系を設計すること。
• ブレードピッチとローター力の間の非有理的関係を克服するため、仮想制御入力を用いた新規な制御割り当てループを考案すること。
• 制御系の性能をシミュレーションおよび実機飛行において、逆飛行中の姿勢安定化と軌道追従の両面で検証すること。

提案手法

• RPMおよびブレードピッチ角の非線形依存性を捉えるために、ブレード要素理論とモーメンタム理論を組み合わせてローター推力およびトルクをモデル化する。
• 可変推力およびモーメント生成を考慮した、可変ピッチクアッドコプターの完全な6自由度運動方程式を定式化する。
• 三重ループ制御アーキテクチャを実装する：外側ループは軌道追従（推力、ピッチ、ロール指令の生成）、内側ループは角速度制御、制御割り当てループはその他の制御を担当する。
• 非線形ロータートルクダイナミクスを線形化し、制御割り当てを簡素化するために、推力係数の微分を仮想制御入力として導入する。
• ダイナミックインバージョンを用いて、所望の軌道から必要なローター入力をマッピングする非線形制御系を設計し、安定性を保証する。
• フラップ中に座標系の再方向化を適用し、一貫した制御論理と姿勢追従性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ピッチ制御による推力制御を用いた可変ピッチクアッドコプターは、逆飛行およびフラップマニューバーを安定して実行できるか？
• RQ2 可変ピッチローターに内在する非有理的推力-トルク関係に対処できる非線形制御系はどのように設計できるか？
• RQ3 上向きから逆飛行への移行中に、姿勢を安定化し、軌道を追従するためにはどのような制御アーキテクチャが必要か？
• RQ4 RPM制御と比較して、ピッチ制御による推力変調は、制御帯域および機動性をどの程度向上させるか？
• RQ5 推力係数の微分に基づく仮想入力を用いた制御割り当て戦略は、制御系の性能およびロバストネスをどの程度向上させるか？

主な発見

• 可変ピッチクアッドコプターは、0°から180°のロールを約1秒で完了するフラップマニューバーを成功裏に実行し、横方向のずれ（0.14 m）と垂直方向の変位（0.07 m）を最小限に抑えた。
• 逆飛行中、全ローターが上向き推力を発生させるために負の集体ピッチ角を維持した。これは、持続的逆飛行の可能性を裏付けた。
• 制御系は逆飛行中においても正確な軌道追従を達成し、フラップ移行中にはXおよびY位置にわずかな初期偏差が生じるにとどまった。
• 推力係数の微分を仮想入力として用いた制御割り当てループは、非線形ローターダイナミクスを効果的に管理し、安定な制御を実現した。
• シミュレーションにより、制御系はアグレッシブなマニューバーや姿勢移行を含む全飛行領域で高い性能を維持することが確認された。
• 実機飛行による検証では、提案された制御戦略により姿勢安定化が成功裏に達成され、本手法の実用的妥当性が裏付けられた。