[論文レビュー] Lifting-wing Quadcopter Modeling and Unified Control

Quan Quan, Shuai Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2023

Aerospace and Aviation Technology被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、マルチコプターのローターと傾斜可変のライジングウイングを統合することで垂直離着陸と効率的な前進飛行を統合する、新しい形状のライジングウイング・クアッドコプターUAVを提案する。最適化された制御割り当てに基づく統合制御器により、垂直飛行と前進飛行の間で滑らかな遷移が可能となり、ローター推力と空力的力の両方を活用することでエネルギー消費を低減する。HILシミュレーションでは、タイル・サイトターよりも高速飛行時の30％のエネルギー削減と優れた遷移性能を確認した。

ABSTRACT

Hybrid unmanned aerial vehicles (UAVs) integrate the efficient forward flight of fixed-wing and vertical takeoff and landing (VTOL) capabilities of multicopter UAVs. This paper presents the modeling, control and simulation of a new type of hybrid micro-small UAVs, coined as lifting-wing quadcopters. The airframe orientation of the lifting wing needs to tilt a specific angle often within $ 45$ degrees, neither nearly $ 90$ nor approximately $ 0$ degrees. Compared with some convertiplane and tail-sitter UAVs, the lifting-wing quadcopter has a highly reliable structure, robust wind resistance, low cruise speed and reliable transition flight, making it potential to work fully-autonomous outdoor or some confined airspace indoor. In the modeling part, forces and moments generated by both lifting wing and rotors are considered. Based on the established model, a unified controller for the full flight phase is designed. The controller has the capability of uniformly treating the hovering and forward flight, and enables a continuous transition between two modes, depending on the velocity command. What is more, by taking rotor thrust and aerodynamic force under consideration simultaneously, a control allocation based on optimization is utilized to realize cooperative control for energy saving. Finally, comprehensive Hardware-In-the-Loop (HIL) simulations are performed to verify the advantages of the designed aircraft and the proposed controller.

研究の動機と目的

• マルチコプターのVTOL能力と固定翼飛行の効率性を統合したハイブリッドUAVの開発。
• タイル・サイトターやコンバーティプラントUAVの制御課題を解決するため、約45°に傾斜されたライジングウイングを有する新規構造を導入。
• 垂直飛行と前進飛行を連続的な飛行フェーズとして扱う統合制御器の設計。
• ローターと空力的制御面（例：エアリウイング）の両方の制御割り当てを最適化することでエネルギー効率を向上。
• 包括的なハードウェアインザループ（HIL）シミュレーションを用いた設計および制御器の検証。

提案手法

• ボディ座標系、ウイング座標系、風座標系の各座標系において、ローターおよびライジングウイングからの力とモーメントを統合した包括的な動的モデルを構築。
• 速度指令に応じて動的に調整される統合制御則を定式化し、垂直飛行モードと前進飛行モードの間で滑らかな遷移を実現。
• エネルギー消費を最小化するため、ローター推力と空力的力の両方を最適化に基づいて制御割り当てする戦略を実装。
• 高速飛行時における協調旋回を実現するため、固定翼機に類似した動力学を用いたフィードフォワードヨー率生成を統合。
• 高精度な航空機モデルとリアルタイム飛行制御器を用いたHILシミュレーションを実施し、性能を検証。
• 風洞Cべきデータを用いて、最大のエネルギー効率を得るための最適迎角（α = 4°）を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑な遷移アクチュエータを必要とせずに、ハイブリッドUAVが垂直離着陸と前進飛行の間で滑らかな遷移をどのように達成できるか？
• RQ2 どのような制御戦略により、1つの制御器でマルチコプター的垂直飛行と固定翼機的巡航飛行を統合的に扱えるか？
• RQ3 ローターと空力的制御面の協調的制御割り当てによって、高周波数の制御入力時のエネルギー消費はどの程度低減可能か？
• RQ4 遷移時間と高度制御精度の観点から、ライジングウイング・クアッドコプターはタイル・サイトターよりもどの程度優れているか？
• RQ5 エアリウイングは高速飛行時におけるエネルギー効率と横方向制御性能を向上させる役割を果たすか？

主な発見

• ライジングウイング・クアッドコプターは、静止状態から18 m/sの空速に到達するまでの遷移時間を4.7秒で達成し、同等のタイル・サイトターよりも速い7.1秒を上回る。
• 遷移中における最大高度誤差はわずか0.09 mであり、高い制御精度と安定性を示した。
• 20 m/sの速度で飛行する際、エアリウイングの使用により、高速域での空力的力の寄与が強くなったため、消費電力が顕著に低減された。
• 統合制御器により、モード切り替えロジックや追加の制御器を必要とせず、垂直飛行と前進飛行の間で滑らかで連続的な遷移が実現された。
• 制御器は固定翼機の制御則を模倣することで巡航時におけるスライド角を低減し、空力的効率を向上させた。
• HILシミュレーションにより、提案された制御割り当て戦略が、ローターのみの制御に比べて高周波数の制御入力時におけるエネルギー消費を最大30％まで削減することが確認された。