Servo Integrated Nonlinear Model Predictive Control for Overactuated Tiltable-Quadrotors

要約

サーボを利用して各ローターを傾けることで、クアッドローターを過小作動システムから過作動システムに変換し、姿勢と位置の両方を独立して制御できるようになり、空中操作に利点がもたらされます。
ただし、この機能強化により、モデルの非線形性、サーボ応答の遅さ、および動作範囲の制限がシステムに導入され、動的制御に課題が生じます。
この研究では、非線形モデル予測制御 (NMPC) に基づいた傾斜可能なクワドロタの制御アプローチを提案します。
従来のカスケード手法とは異なり、私たちのアプローチは単純化することなく完全なダイナミクスを保存します。
ローター推力とサーボ角度を制御入力として直接使用し、その制限された動作範囲が入力制約と見なされます。
特に、NMPC フレームワーク内に 1 次サーボ モデルが組み込まれています。
シミュレーションにより、サーボダイナミクスの統合は制御性能の向上だけでなく、最適化の収束にとって重要な要素であることが明らかになりました。
私たちのアプローチの有効性を評価するために、傾斜可能なクワドローターを製造し、アルゴリズムを 100 Hz でオンボードに展開します。
広範な現実世界の実験により、迅速かつ堅牢かつスムーズなポーズ追跡パフォーマンスが実証されています。

要約(オリジナル)

Utilizing a servo to tilt each rotor transforms quadrotors from underactuated to overactuated systems, allowing for independent control of both attitude and position, which provides advantages for aerial manipulation. However, this enhancement also introduces model nonlinearity, sluggish servo response, and limited operational range into the system, posing challenges to dynamic control. In this study, we propose a control approach for tiltable-quadrotors based on nonlinear model predictive control (NMPC). Unlike conventional cascade methods, our approach preserves the full dynamics without simplification. It directly uses rotor thrust and servo angle as control inputs, where their limited working ranges are considered input constraints. Notably, we incorporate a first-order servo model within the NMPC framework. Simulation reveals that integrating the servo dynamics is not only an enhancement to control performance but also a critical factor for optimization convergence. To evaluate the effectiveness of our approach, we fabricate a tiltable-quadrotor and deploy the algorithm onboard at 100 Hz. Extensive real-world experiments demonstrate rapid, robust, and smooth pose-tracking performance.

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