Distributed Model Predictive Control for Cooperative Multirotor Landing on Uncrewed Surface Vessel in Waves

要約

マルチローターと無人水上艦艇 (USV) で構成される異種自律ロボット チームは、高度な捜索救助活動を含むさまざまな海事用途を可能にする可能性を秘めています。
これらのアプリケーションの重要な要件は、充電などのタスクのためにマルチコプターを USV に着陸させる機能です。
この論文では、過酷な外海で協調型 USV にマルチコプターを安全に着陸させるという課題について取り上げます。
この問題に取り組むために、マルチコプターと USV の協調着陸のための新しい逐次分散モデル予測制御 (MPC) スキームを提案します。
私たちのアプローチは、マルチコプターと USV の標準追跡 MPC を追加の人工中間ゴール位置と組み合わせます。
これらの人工的な目標により、ロボットは事前のガイダンスなしで連携を調整することができます。
各車両は、人工目標とそれを追跡する入力の両方について個別の最適化問題を解決しますが、前者のみを他の車両に伝達します。
人為的な目標には、適切な結合コストによってペナルティが課せられます。
さらに、私たちが提案する分散型 MPC スキームは、時空間波モデルを利用して、より安全な着陸位置とマルチコプターの着陸時間をリアルタイムで調整し、USV の深刻な傾きを制限します。

要約(オリジナル)

Heterogeneous autonomous robot teams consisting of multirotor and uncrewed surface vessels (USVs) have the potential to enable various maritime applications, including advanced search-and-rescue operations. A critical requirement of these applications is the ability to land a multirotor on a USV for tasks such as recharging. This paper addresses the challenge of safely landing a multirotor on a cooperative USV in harsh open waters. To tackle this problem, we propose a novel sequential distributed model predictive control (MPC) scheme for cooperative multirotor-USV landing. Our approach combines standard tracking MPCs for the multirotor and USV with additional artificial intermediate goal locations. These artificial goals enable the robots to coordinate their cooperation without prior guidance. Each vehicle solves an individual optimization problem for both the artificial goal and an input that tracks it but only communicates the former to the other vehicle. The artificial goals are penalized by a suitable coupling cost. Furthermore, our proposed distributed MPC scheme utilizes a spatial-temporal wave model to coordinate in real-time a safer landing location and time the multirotor’s landing to limit severe tilt of the USV.

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