六自由度クアッドローターの飛行制御のための四元数ベースのスライディングモード制御

Core Concepts

新しい六自由度SMCフライトコントローラーを開発して、Euler角とSE(3)アプローチの限界を克服する。

Abstract

スライディングモード制御（SMC）に関する研究が進んでいるが、既存のアプローチにはいくつかの制限がある。
Euler角ベースのSMCは高ピッチやロールマニューバで性能が低下する。
QuaternionベースのSMCは解除問題と複雑な構造を持つ。
この論文では、これらの制限に対処するために新しい6自由度SMCフライトコントローラーを提案している。
外側ループに位置コントローラー、内側ループに四元数ベースの姿勢コントローラーを使用した階層構造を採用している。
四元数ベースの姿勢コントローラーはグローバル安定性を提供しながら単純な構造を備えており、解除問題を回避している。
I. INTRODUCTION

クアッドローターは不確実性や外部干渉に対応するために堅牢なコントローラーが必要とされる。
SMCは多くの分野で効果的であり、クアッドローターでも有効だが、現在の実装には欠点がある。
II. QUADROTOR DYNAMICS

情報座標系と本体座標系を考えてクアッドローター飛行力学方程式を示す。
III. CONTROLLER DESIGN

クアッドローター用の6自由度四元数ベーススライディングモードコントローラーを提案する。
IV. RESULTS

シナリオ1：フリップオーバーマニューバ。結果ではEuler角ベースSMCが失敗し、提案手法と他2つの方法が成功したことが示されている。
シナリオ2：レムニスケート軌跡追跡。結果では提案手法と四元数PDコントローラーが優れたパフォーマンスを示している。

Stats

「J = diag (Jx, Jy, Jz)」
「m = 27 [g]」

Quotes

"We develop a new quaternion-based 6-DOF sliding mode controller, avoiding the limitations of Euler-based and SE(3) approaches."

Key Insights Distilled From

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

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

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

Deeper Inquiries

どうしてEuler角やSE(3)アプローチよりも四元数ベースの方法が優れていると考えられるか？

四元数ベースの方法がEuler角やSE(3)アプローチよりも優れている理由はいくつかあります。まず、Euler角に基づくアプローチでは、大きなピッチやロール角度に対応する際に性能が低下するという課題があります。一方、四元数ベースの方法はこの問題を回避し、高速で複雑な機動でも安定した制御を実現します。
さらに、SE(3)アプローチでは収束速度が遅く、ほぼグローバルスタビリティしか提供されません。それに対して四元数ベースの方法はグローバルスタビリティを持ちながらも効率的で高性能な制御を可能とします。また、四元数自体の特性を活用することでシンプルな構造を維持しつつ解旋回問題を回避できる点も利点です。
これらの要因から、本研究では四元数ベースの方法が他のアプローチよりも優れており、航空機制御における有力な手法と言えます。