Entrées d'observateur tenant compte des actionneurs pour l'ADRC en cascade de quadricoptères avec retard de rotor, délai de mesure et bruit de capteur

Des chercheurs proposent une nouvelle façon d'alimenter l'observateur d'état étendu dans les commandes en cascade LADRC (rejet actif de perturbations linéaire) des quadrirotors. Dans l'approche classique, cet observateur reçoit la commande instantanée, alors que la mesure, retardée, reflète une accélération passée et filtrée par la dynamique des rotors. La méthode dite actuator-aware (AA) corrige ce décalage: les observateurs d'altitude et d'attitude utilisent des entrées virtuelles limitées, filtrées par un modèle de rotor supposé et alignées sur le retard de mesure, tandis que les observateurs horizontaux exploitent une accélération reconstruite à partir de l'attitude mesurée. Les gains fixes sont choisis sur le modèle discret sous contraintes de sensibilité et de réponse indicielle, avec des plafonds de covariance stationnaire sur la variance et l'incrément de commande de chaque canal, ainsi que sur l'incrément de commande interne induit par le bruit dans toute la cascade. En essais appariés de consigne, PID-Budget, AA-Budget et AA-HalfGain atteignent des erreurs RMS moyennes de 65,5, 19,2 et 16,9 mm. Sous un plafond de cascade commun plus strict, les deux variantes AA descendent à 29,9 et 26,4 mm, contre 72,3 mm pour un PID qui consomme environ le double d'incrément de commande rotor. Des simulations PX4 en software-in-the-loop reproduisent ces résultats.

La portée pratique tient à la prise en compte du bruit d'estimation. Derrière l'estimateur EKF2 de PX4, un modèle de bruit ajusté sur les erreurs d'estimation prédit les incréments de roulis/tangage et de lacet à 5 % près sur des essais mis de côté et hors échantillon, et l'incrément total de commande rotor à 14 % près. Les contrôleurs ont ensuite été reconçus pour cette pile logicielle, avec les mêmes spécifications et des plafonds tenant compte de l'estimateur. AA-Budget-E ramène l'erreur RMS de consigne de 59,1 mm (PID-E) à 44,0 mm, avec un incrément de commande rotor plus faible dans chaque essai apparié de consigne et de lemniscate (réduction moyenne de l'indicateur S6: 45 % avant et 15 % après quantification de sortie). AA-HalfGain-E ne bat PID-E que sur la lemniscate. Le message pour les concepteurs de commande est que l'entrée de l'observateur et le chemin de bruit entre boucle externe et boucle interne sont de vrais paramètres de conception, au même titre que les gains. Le gain de précision doit être lu avec prudence: il se réduit nettement une fois l'estimateur réel et la quantification pris en compte, ce qui limite l'avantage face à un PID bien réglé.

Le contexte est celui d'une commande ADRC de plus en plus utilisée comme alternative au PID pour les drones, car elle estime et compense les perturbations sans modèle précis. Ses implémentations échantillonnées négligent souvent la dynamique des actionneurs et les retards, ce que ce travail cherche à combler. Les auteurs précisent que les preuves sont uniquement issues de simulation et que les plafonds sont des contraintes de réglage nominales, sans validation sur banc ou en vol. Il s'agit d'un preprint (arXiv, version 2) non évalué par les pairs. La suite logique serait des essais matériels, où les erreurs de modèle de rotor et le bruit réel testeraient la robustesse de la méthode.