拡張モデル予測制御を用いたQTW-UAVの完全自律飛行の実現

利用扩展模型预测控制实现QTW-UAV完全自主飞行

• 批准号: 21K14189
• 负责人: 増田 開
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Nihon University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14189/
• 关键词: 無人航空機; ティルトウイング; モデル予測制御; ロバスト制御; クワッドティルトウイング

本研究では，状態量を超平面に拘束することでロバスト性を向上させる拡張モデル予測制御（EMPC）を実装したクワッドティルトウイング無人機（QTW-UAV）の自律飛行制御システムの提案，飛行試験による実機実証を目的とする．本年度は，QTW-UAVに搭載可能な小型で性能が限定的な計算機にEMPCを実装するためにEMPCの最適化計算における計算負荷の低減を行った．EMPCは一般的なモデル予測制御（MPC）と同様に内点法等を用いて二次計画問題を解く必要があるため，毎制御ループ時における計算量が大きいことが知られている．また，未来の状態量の予測区間を長く確保すると計算量が増大する．そこで，時刻ステップ毎に参照軌道と予測状態量の差を評価する従来のMPCとは異なり，参照軌道と予測状態量の一致点を評価し，制御入力を予め定めた基底関数で表現することで計算量を大幅に低減するロバスト予測関数制御（RPFC）を新たに提案した．RPFCは，数値シミュレーションによって，外乱入力に対するロバスト性を検証した．また，QTW-UAVの運動をロール軸周りの運動に限定した実験装置を用いて，姿勢制御系における追従性能および外乱影響に対するロバスト性を評価し，有効性の検証を行った．以上の成果は，第60回飛行機シンポジウムにて発表を行った．来年度は飛行試験のためのQTW-UAVの実験機を完成させる予定であり，今年度は電装システムの統合を進めている段階である．飛行試験では，離陸，巡航，着陸まで自律飛行を予定しており，目標飛行経路への追従性，着陸地点における位置精度の評価を行う．

这项研究的目的是为实现扩展模型预测控制（EMPC）的四边形倾斜无人飞机（QTW-UAV）提出一个自主飞行控制系统，该飞机通过将状态限制为超平面，并通过飞行测试来展示实际飞机。今年，我们减少了EMPC优化计算中的计算负载，以便在可以安装在QTW-UAV中的小型，有限的计算机上实现EMPC。与通用模型预测控制（MPC）一样，EMPC需要使用内部点方法等解决二次编程问题，因此众所周知，每个控制环过程中的计算量很大。此外，如果我们为将来的状态确保了长时间的预测间隔，则计算量会增加。因此，与传统的MPC不同，它在每个时间步骤中评估参考轨迹和预测状态数量之间的差异，我们提出了一种新的可靠的预测功能控制（RPFC），该功能控制（RPFC）通过评估参考轨迹和预测状态数量之间的一致性来显着减少计算量，并使用预测输入使用预先确定的基础基础函数来表达对照输入。 RPFC通过数值模拟验证了干扰输入的鲁棒性。此外，使用实验设备将QTW-UAV的运动限制为围绕滚动轴的移动，我们评估了跟踪性能和鲁棒性，从而对姿势控制系统的干扰影响进行了验证，并验证了其有效性。上述结果在第60次飞机研讨会上呈现。明年，我们计划完成实验性的QTW-UAV飞机进行飞行测试，今年我们正在整合电气系统。在飞行测试中，计划起飞，巡航和着陆，并评估了遵循目标飞行路径和降落地点准确性的跟踪能力。

项目成果

ロバストな予測関数制御の提案とQuadrotorへの適用

鲁棒预测函数控制的提出及其在四旋翼飞行器上的应用

• 发表时间: 2022
• 作者: Shogo Ura;Kenji Uchiyama and Kai Masuda;増田開，内山賢治
• 通讯作者: 増田開，内山賢治

Control System Design by using Extended Model Predictive Control for The Quadrotor

四旋翼飞行器扩展模型预测控制控制系统设计

• 发表时间: 2022
• 作者: Shogo Ura;Kenji Uchiyama and Kai Masuda;増田開，内山賢治;境田伸哉，三谷泰浩，谷口寿俊，本田博之，川野浩平，宮脇智士;Kai Masuda and Kenji Uchiyama
• 通讯作者: Kai Masuda and Kenji Uchiyama

拡張モデル予測制御を用いた可変翼UAVの飛行制御

使用扩展模型预测控制的变翼无人机飞行控制

• 发表时间: 2021
• 作者: Shogo Ura;Kenji Uchiyama and Kai Masuda;増田開，内山賢治;境田伸哉，三谷泰浩，谷口寿俊，本田博之，川野浩平，宮脇智士;Kai Masuda and Kenji Uchiyama;増田開，内山賢治
• 通讯作者: 増田開，内山賢治

Rendezvous Control of UAVs with Disturbance Compensation

带干扰补偿的无人机交会控制

• 发表时间: 2022
• 作者: Shogo Ura;Kenji Uchiyama and Kai Masuda
• 通讯作者: Kenji Uchiyama and Kai Masuda

Attitude Control of UAV with Manipulator Using Adaptive PID

• DOI: 10.1109/anzcc56036.2022.9966861
• 发表时间: 2022-11
• 期刊: 2022 Australian & New Zealand Control Conference (ANZCC)
• 作者: Kazuya Uchida;K. Uchiyama;Kai Masuda