Observer-based Controller for VTOL-UAVs Tracking using Direct Vision-Aided Inertial Navigation Measurements

要約

この論文では、視覚支援慣性航法システム (VA-INS) から測定値を直接受信し、必要な推力と回転を生成するように設計された、垂直離着陸 (VTOL) 無人航空機 (UAV) 用の新しいオブザーバーベースのコントローラーを提案します。
トルク入力。
VA-INS は、ビジョン ユニット (単眼またはステレオ カメラ) と、加速度計とジャイロスコープを備えた一般的な低コストの 6 軸慣性測定ユニット (IMU) で構成されます。
このアプローチの主な利点は、全地球測位システム (GPS) にアクセスできない環境にも適用できることです。
提案された VTOL-UAV オブザーバーは、IMU と特徴の測定を利用して、姿勢 (方向)、ジャイロスコープのバイアス、位置、線速度を正確に推定します。
VA-INS 測定を直接使用できるため、姿勢と位置の再構築の必要性がなくなり、提案された観測器設計の計算効率が向上します。
運動成分が推定されると、オブザーバーベースのコントローラーを使用して VTOL-UAV の姿勢、角速度、位置、線速度を制御し、6 自由度 (6 DoF) で目的の軌道に沿って車両を誘導します。
オブザーバベースのコントローラーの閉ループ推定と制御誤差は、ほぼすべての初期条件から指数関数的に安定していることが証明されています。
6 DoF でグローバルかつユニークな VTOL-UAV 表現を実現するために、提案されたアプローチをリー群に基づいて提案し、単位四元数での設計を示します。
提案されたアプローチは連続形式で説明されていますが、個別バージョンが提供され、テストされています。
キーワード: 視覚支援慣性航法システム、無人航空機、垂直離着陸、確率的、ノイズ、ロボティクス、制御システム、エアモビリティ、オブザーバーベースのコントローラーアルゴリズム、ランドマーク測定、指数安定性。

要約(オリジナル)

This paper proposes a novel observer-based controller for Vertical Take-Off and Landing (VTOL) Unmanned Aerial Vehicle (UAV) designed to directly receive measurements from a Vision-Aided Inertial Navigation System (VA-INS) and produce the required thrust and rotational torque inputs. The VA-INS is composed of a vision unit (monocular or stereo camera) and a typical low-cost 6-axis Inertial Measurement Unit (IMU) equipped with an accelerometer and a gyroscope. A major benefit of this approach is its applicability for environments where the Global Positioning System (GPS) is inaccessible. The proposed VTOL-UAV observer utilizes IMU and feature measurements to accurately estimate attitude (orientation), gyroscope bias, position, and linear velocity. Ability to use VA-INS measurements directly makes the proposed observer design more computationally efficient as it obviates the need for attitude and position reconstruction. Once the motion components are estimated, the observer-based controller is used to control the VTOL-UAV attitude, angular velocity, position, and linear velocity guiding the vehicle along the desired trajectory in six degrees of freedom (6 DoF). The closed-loop estimation and the control errors of the observer-based controller are proven to be exponentially stable starting from almost any initial condition. To achieve global and unique VTOL-UAV representation in 6 DoF, the proposed approach is posed on the Lie Group and the design in unit-quaternion is presented. Although the proposed approach is described in a continuous form, the discrete version is provided and tested. Keywords: Vision-aided inertial navigation system, unmanned aerial vehicle, vertical take-off and landing, stochastic, noise, Robotics, control systems, air mobility, observer-based controller algorithm, landmark measurement, exponential stability.

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