Redundant Observer-Based Tracking Control for Object Extraction Using a Cable Connected UAV

要約

新しい外乱オブザーバベースの制御方式を、軽量弾性テザーケーブルと集中垂直外乱からの同時外乱下でのクワッドローター用に開発しました。
この弾性テザーは、マルチコプターの並進運動に比例した外乱を引き起こすため、珍しいものです。
この論文では、オブザーバベースのアプローチを採用してケーブルの剛性係数を推定し、システム モデルを使用して外力の推定値を更新し、その後制御動作で補償します。
繋がれたケーブルの力がクアローターの両方の水平チャネルに影響し、垂直チャネルとも結合していることを考慮すると、提案された外乱オブザーバーは、3 つのチャネルすべてにわたる冗長測定を利用して、ケーブルの剛性と垂直外乱を共同推定するように構築されています。
擬似逆法を使用してオブザーバーのゲイン関数を決定するため、2 つの量の推定が切り離されて安定します。
ほぼ一定の外乱を想定する標準的な外乱オブザーバーと比較して、提案されたアプローチは、テザー付きクワローターの位置やテザーの緊張度が変化したときに、総力の推定値を迅速に調整できます。
これは、マルチコプターが一定のテザーひずみの下で移動する追跡性能テストと物体抽出テストの 2 つの実験に適用されます。
2 番目のテストでは、マルチコプターは、くさび状の物体の抽出を模倣する非線形機構を操作します。
どちらの場合も、提案されたアプローチは、標準的な外乱オブザーバーおよび拡張状態オブザーバーのアプローチに比べて大幅な改善を示しています。
実験の概要ビデオは https://youtu.be/9gKr13WTj-k でご覧いただけます。

要約(オリジナル)

A new disturbance observer based control scheme is developed for a quadrotor under the concurrent disturbances from a lightweight elastic tether cable and a lumped vertical disturbance. This elastic tether is unusual as it creates a disturbance proportional to the multicopter’s translational movement. This paper takes an observer-based approach to estimate the stiffness coefficient of the cable and uses the system model to update the estimates of the external forces, which are then compensated in the control action. Given that the tethered cable force affects both horizontal channels of the quadrotor and is also coupled with the vertical channel, the proposed disturbance observer is constructed to exploit the redundant measurements across all three channels to jointly estimate the cable stiffness and the vertical disturbance. A pseudo-inverse method is used to determine the observer gain functions, such that the estimation of the two quantities is decoupled and stable. Compared to standard disturbance observers which assume nearly constant disturbances, the proposed approach can quickly adjust its total force estimate as the tethered quadrotor changes its position or tautness of the tether. This is applied to two experiments – a tracking performance test where the multicopter moves under a constant tether strain, and an object extraction test. In the second test, the multicopter manipulates a nonlinear mechanism mimicking the extraction of a wedged object. In both cases, the proposed approach shows significant improvement over standard Disturbance Observer and Extended State Observer approaches. A video summary of the experiments can be found at https://youtu.be/9gKr13WTj-k.

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