[논문 리뷰] Multicopter attitude control for recovery from large disturbances

Mark W. Mueller|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 26.

Adaptive Control of Nonlinear Systems참고 문헌 21인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 기울기 오차를 우선시하는 새로운 기울기 우선 다중회전자 자세 제어기를 제안하며, 자세 오차가 180°에 가까운 경우를 포함한 큰 외란에 대한 복구를 향상시킨다. 각도 가속도는 회전 벡터 각도에 비례하며, 표준 기울기 대칭 및 회전 벡터 제어기보다 안정성과 수렴 속도에서 뛰어나며, 실험적으로 기존 방법보다 더 빠르고 안전한 복구를 입증하였다.

ABSTRACT

We present a novel, high-performance attitude control law for multicopters, with a view to recovery from large disturbances. The controller is compared to three well-established alternatives from the literature. All controllers considered are identical to first order, but differ in their computation of the attitude error. We show that the popular use of the skew-symmetric part of the rotation matrix is problematic from a safety perspective, and specifically that the closed loop system may linger at large attitude errors for an arbitrary duration (leading to potential failures of practical systems). The novel proposed controller prioritizes the error in the vehicle thrust direction, and is shown to outperform a similar, existing controller from the literature. Stability follows via a Lyapunov function, and the controller is validated in experiments. This novel controller is especially attractive in safety-critical situations, where a multicopter may be required to recover from large initial disturbances.

연구 동기 및 목표

• 큰 외란, 특히 180° 자세 오차 근처에서 다중회전자 자세 제어의 안전성 문제를 해결하기 위해.
• 광범용으로 사용되는 자세 행렬의 기울기 대칭 부분 제어기가 장기적인 수렴을 유도할 수 있는 한계를 특정하고 분석하기 위해.
• 기울기 오차를 우선시하여 기울기 복구 속도를 높이고, 이로 인해 기울기 운동의 복구를 가속화하는 새로운 자세 제어 법칙을 설계하기 위해.
• 큰 초기 외란 조건 하에서 수치 시뮬레이션과 실제 실험을 통해 제안된 제어기를 검증하기 위해.
• 수렴 속도와 강인성 측면에서 기존 제어기들보다 뛰어난 성능을 보여주기 위해.

제안 방법

• 자세 오차의 회전 벡터(축-각) 표현을 사용하여 각도 가속도를 계산함으로써, 모든 자세에서 매끄럽고 직관적인 행동을 보장한다.
• 자세 오차를 기울기 및 요우 성분으로 분해하며, 제어 작용은 기울기 오차 각도와 전체 회전 벡터 각도에 비례한다.
• 자세 벡터 크기와 각속도를 사용하여 라플라스 함수를 구성함으로써, 닫힌 루프 시스템의 점근적 안정성을 증명한다.
• 기울기 우선 및 회전 벡터 기반 각도 가속도의 가중 조합으로 제어 법칙을 유도하여, 탄력적인 튜닝이 가능하도록 한다.
• 모션 캡처와 각속도 감도 피드백을 사용하여 실시간 검증을 위한 큸카프터에 제어기를 구현하고 테스트한다.
• 동일한 역학 및 제어 구조를 사용하여, 기울기 대칭, 회전 벡터, 그리고 쿼aternion 기반 기울기 우선 제어기와의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자세 제어에서 자세 행렬의 기울기 대칭 부분을 사용할 경우, 특히 180° 근처에서 큰 자세 오차가 장기간 지속되어 수렴이 지연되는가?
• RQ2 요우보다 기울기 오차 각도를 우선시하는 제어기가 큰 외란 복구 시 수렴 속도와 강인성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 회전 벡터 기반 제어기와 비교했을 때, 제안된 기울기 우선 제어기는 안정성과 일시적 반응 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 회전 벡터 각도와 기울기 분해를 사용하는 제어기의 경우, 라플라스 기반 안정성 증명을 수립할 수 있는가?
• RQ5 큰 초기 외란 조건 하에서도 제안된 제어기가 실제 실험 조건에서 성능을 유지하는가?

주요 결과

• 기울기 대칭 제어기는 심각한 안전 문제를 야기한다: 큰 자세 오차(약 180°)에서 장기간 정지할 수 있으며, 이는 시스템 장애를 유발할 수 있다.
• 제안된 제어기는 표준 제어기들보다 기울기 오차의 수렴 속도를 빠르게 하여, 추진력 방향과 직결되는 기울기 운동의 복구를 가속화한다.
• 실험 결과, 제어기가 공중으로 던지거나 큰 외란을 받은 후 몇 초 내로 성공적으로 복구되며, 자세 오차가 급격히 감소함을 확인하였다.
• 제어기는 회전 벡터 기반 제어기보다 수렴 속도가 빠르며, 과도한 제어 입력의 필요성을 줄였다.
• 요우 및 기울기 제어 가중치가 균형을 이루는 조건에서도 제어기는 안정된 성능을 유지하며, 극한에 도달할 경우 회전 벡터 기반 행동으로 수렴한다.
• 실험에서의 위치 추적 결과, 특히 큰 초기 요우 오차 조건에서 기울기 대칭 제어기에서 관찰되는 비정상적이고 기우는 궤적을 제안된 제어기가 피함을 확인하였다.