MPS: A New Method for Selecting the Stable Closed-Loop Equilibrium Attitude-Error Quaternion of a UAV During Flight

要約

我々は、高速ヨー操縦の実行中に無人航空機（UAV）の安定した閉ループ（CL）平衡姿勢誤差四元数（AEQ）を選択するための新しい方法であるモデル予測選択（MPS）を紹介します。
このアプローチでは、UAV の空力トルク制御入力と姿勢誤差状態の両方を考慮した性能指数 (PFM) で測定されるヨーイングのコストを最小限に抑えます。
具体的には、この方法では、符号がリアルタイムで動的に切り替わる項を含む制御則を使用して、第一原理に基づいて導出された UAV の動的モデルによって予測される回転コストの小さい方のトルクを 2 つのオプションから選択します。
安定した CL 平衡 AEQ の選択は、出力と制御誤差の両方の観点から、高速回転飛行中の UAV の性能に大きな影響を与えるため、この問題は重要です。
提案された方法の機能とパフォーマンスをテストおよび実証するために、100 回のリアルタイム高速ヨー追跡飛行実験中に収集されたデータを提示します。
これらの結果は、飛行コストの定量化に使用される PFM が平均 60.30 % 削減されるため、航空ロボット工学で一般的に使用されるベンチマーク コントローラーと比較した場合、提案された MPS ベースのスキームの優れた機能を強調しています。
私たちの知る限り、これらは、動作中に安定した CL 平衡 AEQ を選択できるリアルタイム コントローラーの性能を徹底的に実証、評価、比較した最初の飛行試験結果です。

要約(オリジナル)

We present model predictive selection (MPS), a new method for selecting the stable closed-loop (CL) equilibrium attitude-error quaternion (AEQ) of an uncrewed aerial vehicle (UAV) during the execution of high-speed yaw maneuvers. In this approach, we minimize the cost of yawing measured with a performance figure of merit (PFM) that takes into account both the aerodynamic-torque control input and attitude-error state of the UAV. Specifically, this method uses a control law with a term whose sign is dynamically switched in real time to select, between two options, the torque associated with the lesser cost of rotation as predicted by a dynamical model of the UAV derived from first principles. This problem is relevant because the selection of the stable CL equilibrium AEQ significantly impacts the performance of a UAV during high-speed rotational flight, from both the power and control-error perspectives. To test and demonstrate the functionality and performance of the proposed method, we present data collected during one hundred real-time high-speed yaw-tracking flight experiments. These results highlight the superior capabilities of the proposed MPS-based scheme when compared to a benchmark controller commonly used in aerial robotics, as the PFM used to quantify the cost of flight is reduced by 60.30 %, on average. To our best knowledge, these are the first flight-test results that thoroughly demonstrate, evaluate, and compare the performance of a real-time controller capable of selecting the stable CL equilibrium AEQ during operation.

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