A Lyapunov-Based Switching Scheme for Selecting the Stable Closed-Loop Fixed Attitude-Error Quaternion During Flight

要約

飛行中の無人航空機 (UAV) の回転自由度を制御するために、姿勢誤差四元数 (AEQ) と角速度誤差の両方を使用するスイッチング スキームを提案します。
このアプローチでは、提案されたコントローラーは、2 つのエネルギーベースのリアプノフ関数で計算されたコスト間の最小コストに対応する安定した閉ループ (CL) 平衡 AEQ を継続的に選択します。
CL スイッチング ダイナミクスの安定性を解析して強化するために、基本的な非線形理論を使用します。
安定した CL 平衡 AEQ の選択が飛行中の制御される UAV の出力とエネルギー要件を直接決定するため、この研究問題は関連性があります。
提案されたアプローチの実装、適合性、機能性、およびパフォーマンスをテストおよび実証するために、飛行中に高速ヨー操縦を実行するように制御された 31 グラムのクアッドローターを使用して得られた実験結果を示します。
これらの飛行テストは、提案されたスイッチング コントローラーが、よく使用されるベンチマーク コントローラーに対応するコントローラーと比較して、制御労力と回転力をそれぞれ平均 49.75 % と 28.14 % も削減できることを示しています。

要約(オリジナル)

We present a switching scheme, which uses both the attitude-error quaternion (AEQ) and the angular-velocity error, for controlling the rotational degrees of freedom of an uncrewed aerial vehicle (UAV) during flight. In this approach, the proposed controller continually selects the stable closed-loop (CL) equilibrium AEQ corresponding to the smallest cost between those computed with two energy-based Lyapunov functions. To analyze and enforce the stability of the CL switching dynamics, we use basic nonlinear theory. This research problem is relevant because the selection of the stable CL equilibrium AEQ directly determines the power and energy requirements of the controlled UAV during flight. To test and demonstrate the implementation, suitability, functionality, and performance of the proposed approach, we present experimental results obtained using a 31-gram quadrotor, which was controlled to execute high-speed yaw maneuvers in flight. These flight tests show that the proposed switching controller can respectively reduce the control effort and rotational power by as much as 49.75 % and 28.14 %, on average, compared to those corresponding to an often-used benchmark controller.

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