Exponentially Stable Observer-based Controller for VTOL-UAVs without Velocity Measurements

要約

全地球測位システム (GPS) を使用して動作できるだけでなく、GPS 信号損失やジャイロスコープの故障に対しても堅牢な、ビジョンベースのロボティクス ソリューションに対する大きな需要があります。
この論文では、6 自由度 (6 DoF) の垂直離着陸 (VTOL) 無人航空機 (UAV) に適用される推定と追跡制御について調査します。
VTOL-UAV の運動パラメータ (姿勢、角速度、位置、線速度) を推定するための完全な状態オブザーバーが $\mathbb{SE}_{2}\left(3\right)\ のリー群で提案されています。
ほぼグローバルに指数関数的に安定した閉ループ誤差信号を含む、times\mathbb{R}^{3}$ $=\mathbb{SO}\left(3\right)\times\mathbb{R}^{9}$。
その後、ほぼ全球的な指数安定性が保証されたリー群上で、VTOL-UAV 運動パラメータ用の完全な状態のオブザーバベースのコントローラーが提案されました。
提案されたアプローチは、視覚支援ユニット (単眼カメラまたはステレオ カメラ) によって取得された既知のランドマークのセットのみを利用して、角速度および線速度の測定 (ジャイロスコープと GPS 信号なし) を必要とせずに良好な結果を生み出します。
$\mathbb{S}^{3}\times\mathbb{R}^{9}$ での等価な四元数表現は付録に記載されています。
オブザーバーベースのコントローラーは連続形式で示されますが、その離散バージョンは、大きな初期誤差と不確実な測定を組み込んだ VTOL-UAV シミュレーションを使用してテストされます。
提案されたオブザーバーは、実世界の UAV 飛行データセットでさらに実験的にテストされます。
キーワード: 無人航空機、非線形フィルター アルゴリズム、自律航行、追跡制御、特徴測定、オブザーバー ベースのコントローラー、位置特定、指数安定性、漸近安定性、慣性計測ユニット (IMU)、全地球測位システム (GPS)、視覚支援慣性航法
システム。

要約(オリジナル)

There is a great demand for vision-based robotics solutions that can operate using Global Positioning Systems (GPS), but are also robust against GPS signal loss and gyroscope failure. This paper investigates the estimation and tracking control in application to a Vertical Take-Off and Landing (VTOL) Unmanned Aerial Vehicle (UAV) in six degrees of freedom (6 DoF). A full state observer for the estimation of VTOL-UAV motion parameters (attitude, angular velocity, position, and linear velocity) is proposed on the Lie Group of $\mathbb{SE}_{2}\left(3\right)\times\mathbb{R}^{3}$ $=\mathbb{SO}\left(3\right)\times\mathbb{R}^{9}$ with almost globally exponentially stable closed loop error signals. Thereafter, a full state observer-based controller for the VTOL-UAV motion parameters is proposed on the Lie Group with a guaranteed almost global exponential stability. The proposed approach produces good results without the need for angular and linear velocity measurements (without a gyroscope and GPS signals) utilizing only a set of known landmarks obtained by a vision-aided unit (monocular or stereo camera). The equivalent quaternion representation on $\mathbb{S}^{3}\times\mathbb{R}^{9}$ is provided in the Appendix. The observer-based controller is presented in a continuous form while its discrete version is tested using a VTOL-UAV simulation that incorporates large initial error and uncertain measurements. The proposed observer is additionally tested experimentally on a real-world UAV flight dataset. Keywords: Unmanned aerial vehicle, nonlinear filter algorithm, autonomous navigation, tracking control, feature measurement, observer-based controller, localization, exponential stability, asymptotic stability, inertial measurement unit (IMU), Global Positioning Systems (GPS), vision aided inertial navigation system.

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