[论文解读] Nonlinear Model Predictive Control with Actuator Constraints for Multi-Rotor Aerial Vehicles

Davide Bicego, Jacopo Mazzetto+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2019

Adaptive Control of Nonlinear Systems被引用 7

一句话总结

本文提出了一种用于具有任意位置和方向旋翼的多旋翼飞行器的在线非线性模型预测控制（NMPC）方法，避免了常见的简化方法，如线性化、级联控制和虚构约束。通过将力的导数作为输入，并采用一种新型执行器模型，该方法实现了高性能的受约束控制，在实时仿真和实验中验证了其在多种多旋翼构型下的有效性，包括欠驱动、全驱动、可转向螺旋桨以及故障旋翼系统。

ABSTRACT

In this paper we propose, test, and validate an online Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) method applied to multi-rotor aerial systems with arbitrarily positioned and oriented rotors. This work brings into question some common modeling and control design choices that are typically adopted in order to guarantee robustness and reliability but which may severely limit the attainable performance. In particular the proposed method \emph{does not} resort to common simplifications such as: 1) linear model approximation, 2) cascaded control paradigm used to decouple the translational and the rotational dynamics of the rigid body, and 3) use of low level reactive trackers for stabilization, 4) unconstrained system or use of fictitious constraints. The method addresses simultaneously the problem of local reference trajectory planning and that of stabilizing the vehicle dynamics. Furthermore, by considering as control inputs the derivatives of the forces generated by the multi-rotor vehicle and by means of a novel actuator modeling approach, the method avoids conservative -- and often fictitious -- input/state saturations which are present, e.g., in cascaded approaches. The control algorithm is implemented using a state-of-the-art Real Time Iteration (RTI) scheme with partial sensitivity update method. The performances of the control system are finally validated by means of real-time simulations and in real experiments, with a large spectrum of multi-rotor systems: an \emph{under-actuated} quadrotor, a \emph{fully actuated} hexarotor, a multi-rotor with \emph{orientable} propellers, and a multi-rotor with an unexpected \emph{rotor failure}.

研究动机与目标

• 解决多旋翼系统中常见控制简化带来的性能限制。
• 开发一种统一的控制框架，同时处理轨迹规划与稳定控制，而无需解耦平动与转动动力学。
• 消除级联控制架构中通常引入的保守或虚构的输入与状态饱和。
• 在真实执行器约束下实现鲁棒控制，包括在故障和非标准构型下。
• 在多种多旋翼平台（包括欠驱动、全驱动、可转向螺旋桨和故障旋翼系统）上验证该方法。

提出的方法

• 该方法将旋翼产生的力的导数作为控制输入，实现更平滑、更精确的控制输入分配。
• 提出一种新型执行器建模方法，以准确表示物理约束，避免人工或保守的饱和模型。
• 控制框架将局部参考轨迹规划与飞行器稳定控制整合到单一优化问题中，消除了对级联控制结构的依赖。
• 采用带有部分敏感度更新的实时迭代（RTI）方案，以确保实时计算可行性。
• 该方法显式考虑了任意位置和方向的旋翼，使其适用于非标准多旋翼构型。
• 该公式避免了线性化和低层反馈跟踪器，转而依赖直接的非线性优化实现全状态反馈控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过避免线性化和级联控制结构，非线性MPC框架是否能在多旋翼飞行器中实现更优性能？
• RQ2 如何实现对执行器约束的真实建模，以避免控制设计中出现虚构或保守的饱和限制？
• RQ3 统一的NMPC方法在不解耦动力学的前提下，能在多大程度上同时处理轨迹规划与稳定控制？
• RQ4 所提出的方法是否能在极端构型（如旋翼故障或可转向螺旋桨）下保持稳定性和性能？
• RQ5 该NMPC方法在多种多旋翼平台上的实时计算可行性与鲁棒性如何？

主要发现

• 所提出的NMPC方法成功实现了对多种构型多旋翼飞行器的稳定控制，包括欠驱动四旋翼和全驱动六旋翼系统。
• 该方法在旋翼故障情况下仍能实现稳定飞行，展现出对意外硬件退化的鲁棒性。
• 通过使用力的导数输入和精确的执行器建模，消除了对虚构或保守饱和约束的需求，提升了控制能力与性能。
• 实时仿真与物理实验验证了该方法在多种平台上的计算可行性与鲁棒性。
• 该方法通过避免解耦近似，实现了平动与转动动力学的完全耦合，性能优于传统级联控制方法。
• 带有部分敏感度更新的RTI方案实现了实时运行，使该方法适用于嵌入式系统的实际部署。