ハイブリッドのLQRと超回転滑動モードのアプローチを使用して,干渉耐性クアドローターの制御

科学分野:

• ロボット工学と制御システム
• 航空宇宙工学 航空宇宙工学とは
• 制御理論 制御理論

背景:

• 低性能の四旋翼無人航空機 (UAV) は,複雑なダイナミクスと外部の干渉に対する感受性のために,姿勢安定化において大きな課題を提示します.
• 線形四角調節器 (LQR) やモデル予測制御 (MPC) などの既存の制御戦略は,不確実性やシステムの故障により,頑丈さや性能劣化に苦戦することが多い.

研究 の 目的:

• 低性能の四旋翼UAVの姿勢安定化のために,堅牢なカスケード式ハイブリッド制御アーキテクチャを開発し,検証する.
• 不確実で安全性が重要な環境におけるクアッドローター制御システムの故障耐性と精度を向上させる.

主な方法:

• 内部ループの安定化のための線形四角調節器 (LQR) と,外部ループの基準変更のための超回転スライディングモード制御 (STSMC) を統合したハイブリッド制御アーキテクチャが提案されました.
• スーパーツィーティング・スライディング・モード・コントロール (STSMC) パラメータは,Big Bang-Big Crunch (BB-BC) アルゴリズムを使用して,頑丈性を最大化するために,グローバルに最適化されました.
• 提案されたLQR-STSMC戦略は,クアンサーの3-DOFホーバーシステムモデルで,クラシックなLQRとモデル予測制御 (MPC) と比較して,さまざまな障害シナリオで評価されました.

主要な成果:

• 提案されたLQR-STSMCコントローラは,LQRとMPCと比較して優れたパフォーマンスを示し,エラーメトリック (ISE,IAE,ITAE) を大幅に低下させました.
• ハイブリッド制御スキームは,風,推力係数の変動,ペイロードの解放,モーターの故障などの障害を効果的に管理し,故障耐性を向上させました.
• 仮想3D空間分析は,ローター先の位置安定性を確認し,制御戦略の有効性を検証しました.

結論:

• カスケード化されたLQR-STSMCハイブリッド制御アーキテクチャは,低精度四旋翼UAVの姿勢安定化のための非常に信頼性と堅牢なソリューションを提供します.
• このアプローチは,優れた故障耐性,より速い安定化,正確な追跡機能を提供し,安全性が重要な飛行操作に適しています.
• 最適化されたハイブリッド制御戦略は,モデルの不確実性とシステムの故障を処理する上で,従来のLQRとMPCを大幅に上回ります.