A Generalized Thrust Estimation and Control Approach for Multirotors Micro Aerial Vehicles

要約

この論文では、小型マルチローター無人航空機 (UAV) のローターの推力推定と制御の問題を扱います。
飛行中に各ローターによって生成される推力を正確に制御することは、クワッドローターの堅牢な制御にとっての主な課題の 1 つです。
最も一般的なアプローチは、ローター速度と推力のマッピングを単純な 2 次モデルで近似することです。
このモデルは、非ホバリング飛行条件下では失敗し、制御パイプラインにエラーを引き起こすことが知られています。
プロペラ周囲の空気力学をモデル化するアプローチの 1 つは、ブレード要素運動量理論 (BEMT) です。
ここでは、いくつかの空力係数を見つけるという面倒な校正ステップを排除する、新しい BEMT ベースの閉ループ推力推定器と制御を提案します。
既知の値をベースラインとして再利用し、単純なテストベンチ実験で推力推定値を実際の値に最も近い値に適合させ、単一のスケーリング値を得ることが目的です。
フィードフォワード PID 推力制御が各ローターに実装され、その方法は 250mm と 500mm の 2 つのマルチローター UAV プラットフォームを使用した屋外実験によって検証されました。
結果の統計分析により、推力の推定と制御により、二次モデルと比較して、空気力学的に変化する飛行条件下で優れたロバスト性が提供されることが示されました。

要約(オリジナル)

This paper addresses the problem of thrust estimation and control for the rotors of small-sized multirotors Uncrewed Aerial Vehicles (UAVs). Accurate control of the thrust generated by each rotor during flight is one of the main challenges for robust control of quadrotors. The most common approach is to approximate the mapping of rotor speed to thrust with a simple quadratic model. This model is known to fail under non-hovering flight conditions, introducing errors into the control pipeline. One of the approaches to modeling the aerodynamics around the propellers is the Blade Element Momentum Theory (BEMT). Here, we propose a novel BEMT-based closed-loop thrust estimator and control to eliminate the laborious calibration step of finding several aerodynamic coefficients. We aim to reuse known values as a baseline and fit the thrust estimate to values closest to the real ones with a simple test bench experiment, resulting in a single scaling value. A feedforward PID thrust control was implemented for each rotor, and the methods were validated by outdoor experiments with two multirotor UAV platforms: 250mm and 500mm. A statistical analysis of the results showed that the thrust estimation and control provided better robustness under aerodynamically varying flight conditions compared to the quadratic model.

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