A Comparative Study of Nonlinear MPC and Differential-Flatness-Based Control for Quadrotor Agile Flight

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作者
Sihao Sun,Ángel Romero,Philipp Foehn,Elia Kaufmann,Davide Scaramuzza
出处
期刊:IEEE Transactions on Robotics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:38 (6): 3357-3373 被引量:111
标识
DOI:10.1109/tro.2022.3177279
摘要

Accurate trajectory-tracking control for quadrotors is essential for safe navigation in cluttered environments. However, this is challenging in agile flights due to nonlinear dynamics, complex aerodynamic effects, and actuation constraints. In this article, we empirically compare two state-of-the-art control frameworks: the nonlinear-model-predictive controller (NMPC) and the differential-flatness-based controller (DFBC), by tracking a wide variety of agile trajectories at speeds up to 20 m/s (i.e., 72 km/h). The comparisons are performed in both simulation and real-world environments to systematically evaluate both methods from the aspect of tracking accuracy, robustness, and computational efficiency. We show the superiority of the NMPC in tracking dynamically infeasible trajectories, at the cost of higher computation time and risk of numerical convergence issues. For both methods, we also quantitatively study the effect of adding an inner loop controller using the incremental nonlinear dynamic inversion method, and the effect of adding an aerodynamic drag model. Our real-world experiments, performed in one of the world's largest motion capture systems, demonstrate more than 78% tracking error reduction of both NMPC and DFBC, indicating the necessity of using an inner loop controller and aerodynamic drag model for agile trajectory tracking.

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