Servo Integrated Nonlinear Model Predictive Control for Overactuated Tiltable-Quadrotors

要約

クアッドローターはさまざまな分野で広く採用されていますが、従来のタイプでは姿勢制御が位置調整と密接に関係しているため、作動不足による制限に直面しています。
対照的に、傾斜可能なローターを備えたクアッドローターはオーバーアクチュエーションを提供し、位置と姿勢の両方の軌道を追跡できるようにします。
しかし、ドローン本体の非線形ダイナミクスと傾斜サーボの応答の遅さは、従来のカスケード コントローラーにとって課題となっています。
本研究では、非線形モデル予測制御(NMPC)に基づくティルティングロータークワッドローターの制御手法を提案します。
従来のアプローチとは異なり、私たちの方法は単純化することなく完全なダイナミクスを保存し、アクチュエータコマンドを制御入力として直接利用します。
特に、NMPC フレームワーク内に 1 次サーボ モデルが組み込まれています。
シミュレーションを通じて、サーボダイナミクスを統合すると、制御パフォーマンスが向上するだけでなく、収束も加速されることがわかりました。
私たちのアプローチの有効性を評価するために、傾斜可能なクワドローターを製造し、100 Hz の周波数でアルゴリズムをオンボードに展開します。
広範な現実世界の実験により、迅速かつ堅牢かつスムーズな姿勢追跡パフォーマンスが実証されています。

要約(オリジナル)

Quadrotors are widely employed across various domains, yet the conventional type faces limitations due to underactuation, where attitude control is closely tied to positional adjustments. In contrast, quadrotors equipped with tiltable rotors offer overactuation, empowering them to track both position and attitude trajectories. However, the nonlinear dynamics of the drone body and the sluggish response of tilting servos pose challenges for conventional cascade controllers. In this study, we propose a control methodology for tilting-rotor quadrotors based on nonlinear model predictive control (NMPC). Unlike conventional approaches, our method preserves the full dynamics without simplification and utilizes actuator commands directly as control inputs. Notably, we incorporate a first-order servo model within the NMPC framework. Through simulation, we observe that integrating the servo dynamics not only enhances control performance but also accelerates convergence. To assess the efficacy of our approach, we fabricate a tiltable-quadrotor and deploy the algorithm onboard at a frequency of 100Hz. Extensive real-world experiments demonstrate rapid, robust, and smooth pose tracking performance.

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