Nonlinear Model Predictive Control of Tiltrotor Quadrotors with Feasible Control Allocation

要約

この論文では、ティルト・ローター・マルチローター無人航空機（MRUAV）のための新しい飛行制御フレームワークを紹介します。
ティルトローター設計は完全な作動を提供しますが、アクチュエーターの冗長性により制御割り当てが複雑になります。
私たちは、アロケーターがコントローラーと密接に結合され、コントローラーによって生成された制御信号が車両の作動空間内で確実に実行可能であることを保証する、新しいアプローチを提案します。
非線形モデル予測制御 (NMPC) を活用して上記のフレームワークを実装し、実行可能な制御信号を提供し、パフォーマンスを最適化します。
この統合制御構造は位置と姿勢の両方を同時に管理するため、カスケードされた位置と姿勢の制御ループが不要になります。
広範な数値実験により、私たちのアプローチが、特に高加速軌道と外乱除去シナリオにおいて、線形二次レギュレータ (LQR) とスライディング モード制御 (SMC) に基づく従来の手法よりも大幅に優れていることが実証され、提案されたアプローチが制御強化のための実行可能な選択肢になります。
特に困難なミッションにおいて、精度と堅牢性が向上します。

要約(オリジナル)

This paper presents a new flight control framework for tilt-rotor multirotor uncrewed aerial vehicles (MRUAVs). Tiltrotor designs offer full actuation but introduce complexity in control allocation due to actuator redundancy. We propose a new approach where the allocator is tightly coupled with the controller, ensuring that the control signals generated by the controller are feasible within the vehicle actuation space. We leverage nonlinear model predictive control (NMPC) to implement the above framework, providing feasible control signals and optimizing performance. This unified control structure simultaneously manages both position and attitude, which eliminates the need for cascaded position and attitude control loops. Extensive numerical experiments demonstrate that our approach significantly outperforms conventional techniques that are based on linear quadratic regulator (LQR) and sliding mode control (SMC), especially in high-acceleration trajectories and disturbance rejection scenarios, making the proposed approach a viable option for enhanced control precision and robustness, particularly in challenging missions.

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