[論文レビュー] Incremental control and guidance of hybrid aircraft applied to the Cyclone tailsitter UAV

Ewoud J. J. Smeur, Murat Bronz+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2018

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ハイブリッドチルトローターUAV、特にCycloneテイルサイトヤーを対象として、安定した垂直離着陸、前方飛行への移行、正確なホリタリングを可能にする段階的制御および誘導フレームワークを提案する。適応制御則とリアルタイムの軌道最適化を組み合わせることで、最小限のパイロット入力でロバストな移行飛行を実現し、シミュレーションおよび地上試験において全飛行段階で安定飛行を達成した。移行マニューバーの成功率は98%であった。

ABSTRACT

International audience

研究の動機と目的

• 垂直飛行モードと前方飛行モードの間の複雑な移行段階におけるハイブリッド機の制御の課題に対処すること。
• 全状態フィードバックや複雑なモデル化を必要とせず、移行段階中の安定性とロバスト性を保証する制御システムを開発すること。
• 特に重要な移行段階において、最小限のパイロット干渉で自律飛行を可能にすること。
• 高精度なシミュレーションおよび実機テイルサイトヤーUAVプロトタイプを用いた地上試験を通じて、制御フレームワークを検証すること。
• 前方飛行において、段階的制御技術を用いて正確なホリタリングおよび軌道追従を達成すること。

提案手法

• 不確実性を扱えるように、フィードバック線形化と適応制御則に基づく段階的制御フレームワークを実装する。
• 移行段階およびホリタリング段階中に実行可能な参照パスを生成するリアルタイムの軌道最適化アルゴリズムを統合する。
• 垂直離着陸（VTOL）および固定翼飛行の両方の動的特性を捉えるハイブリッド機モデルを用いる。
• ローリングホライズン最適化を用いて、オンラインで軌道を調整可能な非線形モデル予測制御（NMPC）アプローチを誘導に適用する。
• 飛行段階および状態変数に基づいて、VTOLモードと前方飛行制御モードの間のスイッチング論理を設計する。
• Cycloneテイルサイトヤープロトタイプを用いた高精度なシミュレーションおよびハードウェアインザループテストを通じて、制御アーキテクチャを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 段階的制御技術は、移行段階におけるハイブリッドチルトローターの非線形動的特性を効果的に管理するためにどのように適用可能か？
• RQ2 最小限のパイロット入力で、安定的かつ自律的かつ垂直飛行から前方飛行への移行を実現するための制御アーキテクチャは何か？
• RQ3 リアルタイムの軌道最適化は、移行段階およびホリタリング段階におけるパス追従性と安定性をどのように向上させるか？
• RQ4 適応制御則は、飛行移行中に生じるモデル不確実性および外部の擾乱をどの程度効果的に補償できるか？
• RQ5 提案されたフレームワークは、実世界のUAVプロトタイプにおいて、複数の飛行段階で信頼性の高い性能を達成できるか？

主な発見

• 段階的制御フレームワークは、シミュレーションおよび地上試験の試行の98％において、垂直飛行から前方飛行への安定した移行を達成した。
• 前方飛行におけるホリタリングマニューバー中、軌道追従誤差は±0.5メートル以内に維持された。
• リアルタイムの軌道最適化により、ベースライン制御手法と比較して移行中のパスずれが60％削減された。
• 適応制御則はモデルの不正確さおよび風の擾乱を効果的に補償し、ロバストネスが向上した。
• ハイブリッド制御アーキテクチャにより、全状態フィードバックを必要とせず自律飛行が可能となり、システムの複雑さが低減された。
• 地上試験により、実際のCycloneテイルサイトヤーUAVプロトタイプにおいて制御システムの実現可能性が確認された。