Aerial Robots Carrying Flexible Cables: Dynamic Shape Optimal Control via Spectral Method Model

要約

この研究では、フレキシブル ケーブルを運ぶクアッドローターで構成される航空ロボット システムに対するモデルベースの最適な境界制御設計を紹介します。
システム全体は、常微分方程式 (ODE) で記述される境界条件と組み合わせた偏微分方程式 (PDE) によってモデル化されます。
適切な直交分解 (POD) 法を採用して、元の無限次元システムを直交基底関数が広がる部分空間に投影します。
低次数モデルに基づいて、非線形モデル予測制御 (NMPC) がオンラインで実装され、最適な予測方法でフレキシブル ケーブルの形状軌跡追跡を実現します。
提案された縮小モデリングと最適制御パラダイムは、さまざまなシナリオで正確な高次元 FDM ベースのモデルに対して数値的に検証され、最適に調整された PID コントローラーと比較してコントローラーの優れたパフォーマンスが示されます。

要約(オリジナル)

In this work, we present a model-based optimal boundary control design for an aerial robotic system composed of a quadrotor carrying a flexible cable. The whole system is modeled by partial differential equations (PDEs) combined with boundary conditions described by ordinary differential equations (ODEs). The proper orthogonal decomposition (POD) method is adopted to project the original infinite-dimensional system on a subspace spanned by orthogonal basis functions. Based on the reduced order model, nonlinear model predictive control (NMPC) is implemented online to realize shape trajectory tracking of the flexible cable in an optimal predictive fashion. The proposed reduced modeling and optimal control paradigms are numerically verified against an accurate high-dimensional FDM-based model in different scenarios and the controller’s superior performance is shown compared to an optimally tuned PID controller.

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