四角翼UAVの姿勢制御のためのLQRiの設計と飛行試験

Khái niệm cốt lõi

本論文では、四角翼UAVの姿勢制御のためのLinear Quadratic Regulator with Integral Action (LQRi)の設計と実装、および飛行試験の結果を提示する。

Tóm tắt

本論文では、四角翼UAVの運動学と動力学の数学モデルを導出し、その線形化状態空間表現を用いてLQRおよびLQRiコントローラを設計した。LQRiコントローラは、従来のLQRコントローラに積分制御を組み合わせることで、定常偏差を低減し、モデル不確定性や外乱に対する制御性能を向上させることを目的としている。
シミュレーション環境では、LQRコントローラとLQRiコントローラの性能を比較し、LQRiコントローラが優れた姿勢追従性能を示すことを確認した。さらに、実機の四角翼UAVにLQRおよびLQRiコントローラを実装し、飛行試験を行った。その結果、LQRiコントローラがロール、ピッチ軸で40%、ヨー軸で13%優れた姿勢追従性能を示すことが明らかになった。
ただし、ヨー軸の制御性能はQ行列とR行列のチューニングに敏感であることが分かった。したがって、今後の研究では、これらのハイパーパラメータを自動的に調整する手法を検討する必要がある。また、モーターパラメータに依存しない、ボディレート指令の追従制御手法の開発も課題として挙げられる。

Thống kê

姿勢追従性能の指標(SITL)

ロール角のMSE: 0.68
ピッチ角のMSE: 0.42
ヨー角のMSE: 4.87
姿勢追従性能の指標(実機飛行試験)

ロール角のMSE: 3.45
ピッチ角のMSE: 2.35
ヨー角のMSE: 23.39

Trích dẫn

なし

Thông tin chi tiết chính được chắt lọc từ

Design And Flight Testing Of LQRi Attitude Control For Quadcopter UAV

by Astik Srivas... lúc arxiv.org 04-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2404.12261.pdf

Yêu cầu sâu hơn

LQRiコントローラの性能をさらに向上させるためには、どのようなアプローチが考えられるか

LQRiコントローラの性能をさらに向上させるためには、以下のアプローチが考えられます:

QおよびR行列のチューニング: LQRiコントローラの性能は、QおよびR行列の適切な調整に大きく依存します。これらのハイパーパラメータを適切に調整することで、コントローラの性能を最適化できます。
自己チューニングアルゴリズムの導入: QおよびR行列の自動調整を可能にする自己チューニングアルゴリズムの開発が有効です。これにより、外部の干渉やモデルの不確実性に対処し、コントローラの性能を向上させることができます。
リアルタイムのパラメータ調整: 飛行中にQおよびR行列をリアルタイムで調整する機能を組み込むことで、異なる飛行条件や環境に適応できる柔軟性を持たせることが重要です。

本研究で提案したLQRiコントローラは、他の制御手法(スライディングモード制御、モデル予測制御など)と比べてどのような特徴や長所があるか

本研究で提案したLQRiコントローラは、他の制御手法と比べて以下の特徴や長所があります:

積分制御の統合: LQRiは積分制御を組み込んでおり、定常偏差を効果的に除去し、モデルの不確実性や外部の干渉に対処します。これにより、システムの応答性と制御精度が向上します。
高い追従性: LQRiは高い追従性を実現し、姿勢指令の追跡性能が向上します。特に、ロールおよびピッチ軸での性能が顕著に向上します。
リアルタイムチューニング: QおよびR行列の調整により、コントローラのパフォーマンスを最適化できます。また、積分制御の統合により、システムの安定性と精度が向上します。

四角翼UAVの姿勢制御以外に、LQRiコントローラはどのようなロボットシステムに適用できるか

四角翼UAVの姿勢制御以外に、LQRiコントローラは以下のようなロボットシステムにも適用できます:

ロボットアーム制御: LQRiコントローラは、ロボットアームの位置制御やトルク制御にも適用可能です。積分制御の統合により、位置の定常偏差を除去し、制御精度を向上させることができます。
移動ロボットナビゲーション: 移動ロボットの軌道追従や障害物回避などのナビゲーション課題にもLQRiコントローラを適用できます。積分制御の統合により、目標軌道への追従性を向上させることが可能です。