Swarm aerial robots are required to maintain close proximity to successfully traverse narrow areas in cluttered environments. However, this movement is affected by the downwash effect generated by the other quadrotors in the swarm. This aerodynamic effect is highly nonlinear and hard to model by classic mathematical methods. In addition, the motor speeds of quadrotors are risky to reach the limit when resisting the effect. To solve these problems, we integrate a Neural network Downwash Predictor with Nonlinear Model Predictive Control (NDP-NMPC) to propose a trajectory-tracking approach. The network is trained with spectral normalization to ensure robustness and safety on uncollected cases. The predicted disturbances are then incorporated into the optimization scheme in NMPC, which handles constraints to ensure that the motor speed remains within safe limits. We also design a quadrotor system, identify its parameters, and implement the proposed method onboard. Finally, we conduct an open-loop prediction experiment to verify the safety and effectiveness of the network, and a real-time closed-loop trajectory tracking experiment which demonstrates a 75.37% reduction of tracking error in height under the downwash effect.


翻译:基于神经网络下洗预测的四旋翼无线电对非线性模型预测控制 翻译后的摘要: 无人机群体需在狭窄环境下保持相对接近才能成功穿越。然而,其他四旋翼的下洗效应对其飞行轨迹产生了严重的非线性影响,而这一影响相对复杂,难以通过传统的数学方法建模。此外,四旋翼发动机的速度达到极限而不受影响也有风险。为解决这些问题,我们将神经网络下洗预测与非线性模型预测控制(NDP-NMPC)相集成,提出了一种轨迹跟踪方法。该网络采用谱规范化进行训练,以确保在未收集到的案例上的鲁棒性和安全性。然后,将预测的扰动包括在NMPC的优化方案中,以处理约束条件,并确保发动机速度仍保持在安全范围内。我们还设计了一种四旋翼系统,识别了其参数,并在其上实施了所提出的方法。最后,我们进行了一个开环预测实验,以验证网络的安全性和有效性,进行了一个实时闭环轨迹跟踪实验,其结果在下洗效应下,在高度上实现了75.37%的跟踪误差减小。

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