Robuste und effiziente Flugsteuerung von Quadrocoptern mit sechs Freiheitsgraden auf Basis von Quaternionen

Alapfogalmak

Eine neue Methode zur Flugsteuerung von Quadrocoptern mit sechs Freiheitsgraden, die eine robuste und effiziente Leistung bei aggressiven Manövern bietet, indem sie die Vorteile der Quaternionen-Darstellung nutzt und die Probleme bestehender Ansätze überwindet.

Kivonat

Die Studie präsentiert einen neuen Ansatz für die Flugsteuerung von Quadrocoptern mit sechs Freiheitsgraden, der auf einer Quaternionen-basierten Gleitmodellsteuerung (SMC) basiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, die auf Euler-Winkeln oder geometrischen Ansätzen basieren, bietet dieser Ansatz folgende Vorteile:

1. Globale Stabilität: Der Ansatz nutzt die natürlichen Eigenschaften der Quaternionen-Hypersphäre, um eine globale Stabilität zu erreichen.

2. Vermeidung von Modellvereinfachungen: Im Gegensatz zu Euler-basierten Ansätzen werden die Rotationsdynamiken nicht vereinfacht, was eine effektive Flugsteuerung auch bei aggressiven Manövern ermöglicht.

3. Vermeidung des Quaternionen-Unwinding-Problems: Durch den Einsatz einer speziellen Sliding-Surface-Formulierung wird das Unwinding-Problem vermieden, das bei vielen Quaternionen-basierten Ansätzen auftritt.

Der Ansatz verwendet eine kaskadierte Struktur mit einem Positionsregler in der äußeren Schleife und einem Quaternionen-basierten Lageregeler in der inneren Schleife. Der Positionsregler generiert die gewünschte Trajektorie für den Lageregeler unter Verwendung eines koordinatenfreien Ansatzes.

In Simulationen wurde der Ansatz mit anderen gängigen Methoden wie der geometrischen Steuerung und der Euler-basierten SMC verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Ansatz eine konsistent bessere Leistung bei aggressiven Manövern wie Überschlägen und Hochgeschwindigkeits-Trajektorienflug bietet, bei gleichzeitig geringerem Stellaufwand und weniger Sättigung der Aktoren.

Statisztikák

Die Quadrocopter-Parameter haben folgende Werte:
Masse: 27 g
Trägheitsmoment: diag (1,66, 1,66, 2,93) × 10−5 kgm2
Schubkoeffizient: 2,88 × 10−8 N/s2
Drehmomentkoeffizient: 7,24 × 10−10 Nm/s2
Hebelarm: 92 mm
Rotorwinkel: 45°
Externe Störungen:
Beschleunigung: 2 sin(πt + π/2) m/s2
Winkelgeschwindigkeit: sin(πt) rad/s2

Idézetek

"Unser Regler bietet eine konsistent bessere Leistung bei aggressiven Manövern wie Überschlägen und Hochgeschwindigkeits-Trajektorienflug, bei gleichzeitig geringerem Stellaufwand und weniger Sättigung der Aktoren."
"Der Ansatz nutzt die natürlichen Eigenschaften der Quaternionen-Hypersphäre, um eine globale Stabilität zu erreichen und vermeidet Modellvereinfachungen sowie das Quaternionen-Unwinding-Problem."

Főbb Kivonatok

Quaternion-Based Sliding Mode Control for Six Degrees of Freedom Flight Control of Quadrotors

by Amin Yazdans... : arxiv.org 03-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.10934.pdf

Mélyebb kérdések

Wie könnte der vorgestellte Ansatz für die Flugsteuerung von Drohnen in komplexen Umgebungen mit Hindernissen erweitert werden?

Der vorgestellte Ansatz für die Flugsteuerung von Drohnen könnte in komplexen Umgebungen mit Hindernissen durch die Integration von Hinderniserkennungssensoren erweitert werden. Diese Sensoren könnten verwendet werden, um Hindernisse in der Flugbahn der Drohne zu identifizieren und dem Regler entsprechende Informationen bereitzustellen. Auf dieser Grundlage könnte der Regler dann die Flugbahn anpassen, um Kollisionen zu vermeiden. Durch die Implementierung von Kollisionsvermeidungsalgorithmen in den Regler könnte die Drohne autonom Hindernissen ausweichen und sicher navigieren.

Welche zusätzlichen Sensoren oder Informationen könnten in den Regler integriert werden, um die Robustheit weiter zu erhöhen?

Um die Robustheit des Reglers weiter zu erhöhen, könnten zusätzliche Sensoren wie Lidar, Radar oder Kameras integriert werden, um eine umfassendere Umgebungswahrnehmung zu ermöglichen. Diese Sensoren könnten dazu beitragen, die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu verbessern, insbesondere in Umgebungen mit unzureichender GPS-Abdeckung. Darüber hinaus könnten Informationen wie Luftdruck, Temperatur und Windgeschwindigkeit in den Regler integriert werden, um die Flugleistung der Drohne unter verschiedenen Umweltbedingungen zu optimieren. Durch die Berücksichtigung dieser zusätzlichen Sensoren und Informationen könnte die Robustheit des Reglers gegenüber externen Störungen und Unsicherheiten weiter gesteigert werden.

Inwiefern lässt sich der Ansatz auf andere Arten von unbemannten Flugsystemen wie Flugzeuge oder VTOL-Fahrzeuge übertragen?

Der vorgestellte Ansatz für die Flugsteuerung von Drohnen basiert auf einem Quaternion-basierten Schiebemodusregler, der für die Regelung von sechs Freiheitsgraden entwickelt wurde. Dieser Ansatz kann auf andere Arten von unbemannten Flugsystemen wie Flugzeuge oder VTOL-Fahrzeuge übertragen werden, indem er entsprechend angepasst wird. Für Flugzeuge könnte der Regler beispielsweise auf die Regelung von drei Freiheitsgraden (Roll, Nick, Gier) reduziert werden, während für VTOL-Fahrzeuge spezifische Dynamiken und Steuerungselemente berücksichtigt werden müssten. Durch die Anpassung des Reglers an die spezifischen Anforderungen und Dynamiken anderer unbemannter Flugsysteme können ähnliche Leistungsverbesserungen in Bezug auf Stabilität, Effizienz und Robustheit erzielt werden.