DR-IPCがLiDARクアッドロータ向け外乱耐性の統合計画制御を実現

LiDARベースのクアッドロータが風や吊り荷などの外乱を受ける乱雑環境で、障害物回避の動作生成と外乱補償制御を単一の予測制御で統合し、安全かつ安定な航行を実現できるかという問いに答えた。

従来の階層型計画制御ではプランナが障害物情報を扱う一方で制御器は障害物を認識せず、外乱による軌道逸脱が生じても基準軌道への追従を続けるため衝突に至る。既存の統合計画制御は線形モデルと積分推力補償に依存し、再構成した外乱を予測に組み込まず、ハードな安全飛行回廊制約が外乱逸脱時に最適化の実行不能や過剰な修正動作を引き起こす。

従来手法として、安全飛行回廊を用いた多項式最適化、EGO-Planner、階層型MPCなどの階層計画制御がある。統合計画制御では障害物回避NMPC、CBF-MPC、MPCC、そして先行研究のIPCがある。IPCはA*と安全飛行回廊制約付き線形MPCを組み合わせるが、三重積分モデルから微分平坦性で角速度と推力を導出し、積分推力適応のみで外乱補償するため能動的外乱抑圧が限定的であり、ハードな安全飛行回廊制約が実行不能や振動的な修正動作を招く。外乱認識MPCはDA-MPCやDR-MPCなどがあるが、いずれも規定軌道や視覚目標の追従に用いられ、障害物回避の局所動作生成と結合していない。

DR-IPCはA*の幾何学的経路参照とソフトな安全飛行回廊ペナルティ、非線形クアッドロータ動力学、入力制約、再構成外乱を単一のNMPCバックエンドで同時に扱う。従来のIPCと異なり、外乱推定をフィードバック補償だけでなくNMPC予測にも注入し、障害物回避の局所動作と制御入力をまとめて最適化する。非線形相互接続オブザーバとして拡張カルマンフィルタと非線形外乱オブザーバを結合し、ノイズを抑えた状態推定と平滑化した外乱推定を提供する。安全飛行回廊の逸脱はハード制約ではなくコスト項の残差として扱い、実行可能性を保つ。別途の軌道最適化段階は不要で、角速度と推力を直接指令する。

狭い通路の一定風下シミュレーションでは、IPCは最低高度0.042mまで低下し2回衝突したが、DR-IPCは0.850m以上を維持し、高度RMSEを0.484mから0.075mに低減した。吊り荷と局所変動風のアブレーションでは、NDO単独に対しEKF+NDOは外乱ベクトルRMSEを0.260から0.036m/s^2へ86.1%低減し、外乱レートRMSを11.6から6.1に47.3%低減、角速度RMSを0.81から0.45rad/sに低減、wy飽和率を36.0%から2.1%に低減、姿勢RMSを11.3度から8.6度に低減した。Gazeboのマルチゴール航法では、外乱なしIPCが10回中10回のミッション完了と40ゴール到達、外乱ありIPCが10回中1回完了と40ゴール中9ゴール到達、外乱ありDR-IPCが10回中9回完了と40ゴール中37ゴール到達であり、平均衝突転倒イベントは5から0.1に低下した。MARSIMの非構造森林環境でもオンライン航法を確認した。実機実験では、ボール衝突時にIPCの最低高度0.08mに対しDR-IPCは0.70mを維持し、高度誤差±0.05m帯へ2.30秒で復帰した。アーチ通路の吊り荷輸送では、外乱ありIPCは未達で高度RMSE0.34m、SFC外時間18.77秒だったが、DR-IPCは通過し、最低高度0.97m、高度RMSE0.01m、SFC外時間2.98秒だった。動的障害物実験ではDR-IPCがソフトSFC逸脱により衝突なく完了し、計算時間は4201制御サイクル中4046回（96.31%）が10ms以内で、95パーセンタイル9.13ms、99パーセンタイル13.71ms、最大41.08msだった。屋外の森林昼夜と工場2経路を含む4シナリオすべてを衝突なく完遂し、システムは100Hzで機上動作した。

著者は外乱が一定または緩やかに変化すると仮定し、予測ホライズン全体で外乱推定を一定として保持している。外乱モデルがあればエキソシステムに置き換え可能と述べている。また動的障害物実験では155回の計算デッドラインミスがあり、最大41.08msの計算時間が発生した。大半は孤立した1サイクル超過だが、地図更新とA*再計画時に集中した。評価は単一のクアッドロータと特定のLiDAR構成に基づき、比較対象はIPCのみである。コードは公開予定とされているが、本稿執筆時点では未検証である。プレプリントであり査読済みの採録は確認されていない。