High-Gain Disturbance Observer for Robust Trajectory Tracking of Quadrotors

要約

この論文では、軌道追跡におけるクアッドローターの堅牢性を高める簡単な方法を紹介します。
提示された方法は、リアルタイムで外乱推定値を提供する高ゲイン外乱オブザーバー (HGDO) を特徴としています。
次に、推定値は軌道制御則で使用され、外乱の影響が補償されます。
提案された HGDO が実際の外乱値の調整可能な近傍に迅速に収束できることを示す理論的な収束結果を示します。
次に、外乱推定を典型的なロバスト軌道コントローラー、つまりスライディング モード制御 (SMC) と統合し、軌道追跡誤差の境界を確立するためのリアプノフ安定性解析を提示します。
ただし、私たちの安定性解析は他のリアプノフ ベースのコントローラーに簡単に拡張でき、正式な安定性が保証されたさまざまな HGDO ベースのコントローラーを開発できます。
提案された HGDO ベースの制御方法を、シミュレーションと室内実験の両方を使用して、さまざまなシナリオおよび外部擾乱の存在下で評価します。
私たちの結果は、クワッドローター軌道コントローラーに HGDO を追加すると、外乱が存在する場合の軌道追跡の精度と精度が大幅に向上する可能性があることを示しています。

要約(オリジナル)

This paper presents a simple method to boost the robustness of quadrotors in trajectory tracking. The presented method features a high-gain disturbance observer (HGDO) that provides disturbance estimates in real-time. The estimates are then used in a trajectory control law to compensate for disturbance effects. We present theoretical convergence results showing that the proposed HGDO can quickly converge to an adjustable neighborhood of actual disturbance values. We will then integrate the disturbance estimates with a typical robust trajectory controller, namely sliding mode control (SMC), and present Lyapunov stability analysis to establish the boundedness of trajectory tracking errors. However, our stability analysis can be easily extended to other Lyapunov-based controllers to develop different HGDO-based controllers with formal stability guarantees. We evaluate the proposed HGDO-based control method using both simulation and laboratory experiments in various scenarios and in the presence of external disturbances. Our results indicate that the addition of HGDO to a quadrotor trajectory controller can significantly improve the accuracy and precision of trajectory tracking in the presence of external disturbances.

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