Viewpoint-driven Formation Control of Airships for Cooperative Target Tracking

要約

自然の生息地での動物の追跡とモーション キャプチャ (MoCap) には、カメラを搭載した飛行船などの安全で静かな空中プラットフォームの編成が適しています。
以前の作業では、最適なモーション キャプチャのフォーメーション プロパティを導き出しました。
被写体までの限界距離を保ち、カメラ ビューの中心に合わせます。
マルチローターとは異なり、飛行船には非ホロノミックな制約があり、周囲の風の影響を受けます。
それらの向きと飛行方向も密接に関連しています。
したがって、運動方向と向きの独立性を前提とするマルチコプターの制御方式は適用できません。
この論文では、最初に飛行船の対気速度と対象物までの距離との間の周期的な関係を利用することによって、この問題に対処します。
これを使用して、最適な MoCap の形成特性を満たす解析的および数値的な解を導き出します。
これに基づいて、MPC ベースのフォーメーション コントローラーを開発します。
ソリューションの理論的分析、その適用性の境界条件、大規模なシミュレーション実験、および無人飛行船を使用した制御方法の実世界でのデモンストレーションを行います。
オープン ソース コード https://tinyurl.com/AsMPCCode と、このメソッドのビデオが https://tinyurl.com/AsMPCVid で提供されています。

要約(オリジナル)

For tracking and motion capture (MoCap) of animals in their natural habitat, a formation of safe and silent aerial platforms, such as airships with on-board cameras, is well suited. In our prior work we derived formation properties for optimal MoCap, which include maintaining constant angular separation between observers w.r.t. the subject, threshold distance to it and keeping it centered in the camera view. Unlike multi-rotors, airships have non-holonomic constrains and are affected by ambient wind. Their orientation and flight direction are also tightly coupled. Therefore a control scheme for multicopters that assumes independence of motion direction and orientation is not applicable. In this paper, we address this problem by first exploiting a periodic relationship between the airspeed of an airship and its distance to the subject. We use it to derive analytical and numeric solutions that satisfy the formation properties for optimal MoCap. Based on this, we develop an MPC-based formation controller. We perform theoretical analysis of our solution, boundary conditions of its applicability, extensive simulation experiments and a real world demonstration of our control method with an unmanned airship. Open source code https://tinyurl.com/AsMPCCode and a video of our method is provided at https://tinyurl.com/AsMPCVid .

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