[论文解读] Cascaded Incremental Nonlinear Dynamic Inversion Control for MAV Disturbance Rejection

Ewoud J. J. Smeur, Guido de Croon+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2017

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出一种用于微型飞行器（MAVs）的级联式增量非线性动态逆（INDI）控制器，结合INID用于姿态与位置控制，实现优异的阵风抑制性能。在风洞测试中，当飞行器穿越10 m/s阵风时，其平均最大位置偏差仅为21 cm，优于PID控制器的7倍以上。

ABSTRACT

Micro Aerial Vehicles (MAVs) are limited in their operation outdoors near obstacles by their ability to withstand wind gusts. Currently widespread position control methods such as Proportional Integral Derivative control do not perform well under the influence of gusts. Incremental Nonlinear Dynamic Inversion (INDI) is a sensor-based control technique that can control nonlinear systems subject to disturbances. It was developed for the attitude control of manned aircraft or MAVs. In this paper we generalize this method to the outer loop control of MAVs under severe gust loads. Significant improvements over a traditional Proportional Integral Derivative (PID) controller are demonstrated in an experiment where the quadrotor flies in and out of a windtunnel exhaust at 10 m/s. The control method does not rely on frequent position updates, as is demonstrated in an outside experiment using a standard GPS module. Finally, we investigate the effect of using a linearization to calculate thrust vector increments, compared to a nonlinear calculation. The method requires little modeling and is computationally efficient.

研究动机与目标

• 解决在室外及室内飞行中，尤其是在障碍物附近或城市环境中，阵风干扰带来的挑战。
• 克服传统PID控制器在应对持续且剧烈的风扰动时的局限性，包括增益饱和与积分作用缓慢的问题。
• 开发一种无传感器、无模型的控制方法，利用加速度计测量值估计干扰，并逐步调整控制输入。
• 在真实场景中（包括基于GPS的室外飞行）验证级联INDI在姿态与位置控制中的可行性与鲁棒性。
• 研究线性与非线性推力计算对控制精度及干扰抑制性能的影响。

提出的方法

• 在内环使用基于测量角加速度的INDI姿态控制器，根据期望与实际加速度的差异计算增量控制输入。
• 将内环INDI与外环INDI位置控制器级联，后者利用IMU提供的线性加速度计算推力增量以实现位置控制。
• 基于期望与测量加速度的差异进行增量控制更新，避免依赖完整系统模型或风场估计。
• 引入非线性电机推力曲线（见图8）以计算更精确的推力矢量增量，提升剧烈机动中的控制精度。
• 应用滤波技术降低加速度计测量噪声，确保控制性能稳定。
• 将控制器集成至开源Paparazzi自动驾驶仪，实现在Parrot Bebop四旋翼飞行器上的实时运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统PID控制器相比，级联INDI控制在高速阵风中是否能显著提升干扰抑制性能？
• RQ2 在剧烈机动过程中，采用非线性推力计算在多大程度上提升了垂直加速度跟踪精度？
• RQ3 INDI控制器是否能在不频繁依赖GPS更新的情况下维持鲁棒性能，从而支持可靠的室外运行？
• RQ4 当气动外形修改导致控制效能变化时，控制器如何处理执行器饱和与控制分配问题？
• RQ5 忽略偏航角对推力矢量动力学的影响是否会影响控制性能？采用不同的欧拉角顺序是否能改善性能？

主要发现

• 在10 m/s风洞气流中飞行时，级联INDI控制器的平均最大位置偏差仅为21 cm，显著优于同等条件下的PID控制器（151 cm偏差）。
• 基于标准GPS更新的室外飞行实验证明，INDI控制器具备鲁棒性，验证了其在真实场景中的可行性。
• 与线性近似相比，非线性推力计算显著降低了垂直加速度跟踪的最大误差，尤其在剧烈机动中表现更优。
• 即使在通过零坡度角点（此时推力需求突变）时，控制器仍保持良好性能。
• 控制效能的在线自适应能力使控制器在气动外形修改后仍能可靠运行，减少了重新调参的需求。
• 初步结果表明，在控制分配中考虑轴向优先级可能进一步提升执行器饱和条件下的性能。