[论文解读] Control of VTOL Vehicles with Thrust-direction Tilting
本文提出了一种针对具有推力方向可倾转的垂直起降（VTOL）飞行器的非线性控制框架，通过主目标（位置/速度跟踪）与次级目标（姿态或方向稳定）来处理执行器极限问题。该方法在推力倾转角度达到最大值时仍能确保渐近稳定性和收敛性，通过配备倾斜螺旋桨的四旋翼无人机仿真得到验证。
An approach to the control of a VTOL vehicle equipped with complementary thrust-direction tilting capabilities that nominally yield full actuation of the vehicle's position and attitude is developed. The particularity and difficulty of the control problem are epitomized by the existence of a maximal thrust-tilting angle which forbids complete and decoupled control of the vehicle's position and attitude in all situations. This problem is here addressed via the formalism of primary and secondary objectives and by extending a solution previously derived in the fixed thrust-direction case. The proposed control design is also illustrated by simulation results involving a quadrotor UAV with all propellers axes pointing in the same monitored tilted direction.
研究动机与目标
- 解决具有有限推力倾转角度的VTOL飞行器控制挑战，该限制导致位置与姿态控制无法完全解耦。
- 开发一种通用的非线性控制解决方案，适用于具有扩展飞行包线的多种VTOL飞行器。
- 在控制设计中显式考虑最大推力倾转角度约束，确保鲁棒性与稳定性。
- 通过类似李雅普诺夫的稳定性分析，将先前针对固定推力方向的控制方法扩展至倾转情况。
- 以优先级分层的方式实现位置/速度跟踪与姿态/方向稳定的双重目标。
提出的方法
- 控制设计采用分层方法，主目标为参考位置或速度的渐近稳定，次级目标为机体固定方向向量或完整姿态的渐近稳定。
- 采用类似李雅普诺夫的稳定性框架，确保闭环系统的全局渐近稳定性和收敛性。
- 该方法显式将最大允许推力倾转角度作为硬约束纳入，防止执行器饱和。
- 控制律是先前针对固定推力方向VTOL飞行器的研究工作的延伸，经调整以处理可变推力方向。
- 该方法避免在不同控制律之间切换，且无需使用伪逆矩阵或优化算法，确保概念上的简洁性。
- 在配备所有螺旋桨安装于倾斜固定轴结构的四旋翼无人机上进行了仿真验证，以模拟实际的执行器约束。
实验结果
研究问题
- RQ1具有有限推力倾转能力的VTOL飞行器如何在执行器受限条件下实现稳定的位置与姿态控制？
- RQ2何种控制架构可在推力倾转受限制且无法实现位置与姿态完全解耦时，确保渐近稳定性？
- RQ3在物理限制下，如何在主目标（位置/速度跟踪）与次级目标（姿态或方向稳定）之间实现优先级分配？
- RQ4能否设计一种控制策略，避免在多套控制律之间切换，同时保持简洁性并确保鲁棒性？
- RQ5当推力倾转达到饱和时，此类控制系统的性能极限是什么？
主要发现
- 在仿真1中，飞行器成功跟踪了一条高动态参考轨迹，平均速度达4 m/s，加速度高达3 m/s²，且始终保持水平姿态。
- 推力倾转角度从未达到最大值π/6 rad（30°），表明主次目标可同时实现。
- 在仿真2中，当所需推力倾转角度超过允许最大值时，飞行器的倾斜角偏离零值，表明执行器饱和的影响。
- 尽管发生推力倾转饱和，主目标（位置跟踪）仍被完美实现，证明了控制框架的鲁棒性。
- 在饱和期间，次级姿态稳定目标曾暂时丢失，但一旦所需倾转角度重新回到允许范围内，系统迅速恢复，证实了系统的韧性。
- 控制输入（推力与扭矩）始终保持有界且物理可行，无需切换或复杂优化，确认了该方法的实际可行性。
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