[논문 리뷰] Lifting-wing Quadcopter Modeling and Unified Control

Quan Quan, Shuai Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 02.

Aerospace and Aviation Technology인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 기울기 부양 날개를 틸팅 기반으로 장착한 다로터 헬리콥터 유비아를 제안하며, 수직 이륙/강하와 효율적인 수평 비행을 통합함으로써 수직 이륙 및 강하 능력과 고속 비행 효율성을 동시에 확보한다. 최적화된 제어 할당 기반의 통합 제어기로 허브 모드와 수평 비행 모드 간의 원활한 전환을 가능하게 하여, 로터의 추진력과 항공역학적 힘을 동시에 활용함으로써 에너지 소비를 감소시킨다. 하드웨어 인 더 루프(HIL) 시뮬레이션 결과, 기존 尾기우드 설계 대비 고속 조작에서 30%의 에너지 절감과 뛰어난 전환 성능을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다로터의 수직 이륙/강하(VTOL) 능력과 고정 날개 비행의 효율성을 융합한 하이브리드 유비아 개발
• 기존 尾기우드 및 컨버티플랜 유비아의 제어 과제를 해결하기 위해 약 45° 기울인 부양 날개를 갖춘 새로운 기구 구성 제안
• 이륙/강하와 수평 비행을 연속적인 비행 단계로 간주하는 통합 제어기 설계
• 로터와 항공역학적 표면(예: 엣지레일) 간의 제어 할당을 공동으로 최적화하여 에너지 효율성 향상
• 고도의 하드웨어 인 더 루프(HIL) 시뮬레이션을 통한 설계 및 제어기 검증

제안 방법

• 로터와 부양 날개의 힘과 모멘트를 기준으로 기준좌표계(체체 기준, 날개 기준, 풍속 기준)에서 종합적인 동역학 모델 개발
• 속도 명령에 따라 동적으로 조정되는 통합 제어 법칙 설계로 이륙과 수평 비행 모드 간의 원활한 전환 구현
• 에너지 소비를 최소화하기 위해 로터 추력과 항공역학적 힘을 조율하는 최적화 기반 제어 할당 전략 구현
• 고속 비행 시 고정 날개 유사 동역학을 활용한 피드포워드 양항 속도 생성을 통한 조율된 회전 제어 구현
• 고정밀 항공기 모델과 실시간 비행 제어기를 사용한 HIL 시뮬레이션을 통한 성능 검증
• 풍동 CFD 데이터를 활용해 최적의 공기역학적 공격각(α = 4°)을 도출하여 최대 에너지 효율성 확보

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 전환 액추에이터가 필요 없이 하이브리드 유비아가 수직 이륙/강하와 수평 비행 간 원활한 전환을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 어떤 제어 전략이 단일 제어기 내에서 다로터 유사 이륙과 고정 날개 유사 항속 비행을 통합적으로 다룰 수 있는가?
• RQ3 로터와 항공역학적 표면 간의 조율된 제어 할당 전략이 고주기 조작 중 에너지 소비를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 이륙-날개 다로터 유비아는 전환 시간과 고도 제어 정밀도 측면에서 尾기우드 설계에 비해 어떤가?
• RQ5 에일러론은 고속 비행 중 에너지 효율성 향상과 횡방향 제어 성능 향상에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 이륙-날개 다로터 유비아는 이륙 상태에서 18 m/s의 공기 속도로의 전환에 4.7초를 소요하였으며, 이는 유사한 尾기우드 설계의 7.1초 대비 빠른 전환 성능을 보였다.
• 전환 과정 중 최대 고도 오차는 단지 0.09 m에 그쳐 높은 제어 정밀도와 안정성을 입증하였다.
• 20 m/s에서 엣지레일의 사용으로 인해 고속에서 더 강한 항공역학적 힘 기여로 인해 전력 소비가 현저히 감소하였다.
• 통합 제어기는 모드 전환 논리나 별도의 제어기 없이도 이륙과 수평 비행 간의 부드럽고 연속적인 전환을 가능케 하였다.
• 제어기는 고정 날개 제어 법칙을 모방함으로써 항속 비행 중 사이드슬립 역각을 감소시켜 항공역학적 효율성을 향상시켰다.
• HIL 시뮬레이션 결과, 제안된 제어 할당 전략이 로터 전용 제어 대비 고주기 제어 입력 상황에서 최대 30%의 에너지 소비 감소를 확인하였다.