[论文解读] A simple controller for the transition maneuver of a tail-sitter drone

A. Flores, Andrés Montes de+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2018

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于姿态与位置动力学时间尺度分离的平滑、非切换控制器，用于尾推式垂直起降无人机的过渡机动。基于李雅普诺夫稳定性理论与线性饱和函数，控制器确保了局部渐近稳定性，并有效处理执行器饱和问题，仿真结果验证了在悬停至巡航及巡航至悬停过渡中，控制输入为有界且连续的性能。

ABSTRACT

This paper presents a controller for the transition maneuver of a tail-sitter drone. The tail-sitter model considers aerodynamic terms whereas the proposed controller considers the time-scale separation between drone attitude and position dynamics. The controller design is based on Lyapunov approach and linear saturation functions. Simulations experiments demonstrate the effectiveness of the derived theoretical results.

研究动机与目标

• 设计一种稳定、连续的控制器，用于解决尾推式无人机复杂过渡机动问题，避免飞行模式间控制切换。
• 在控制设计中引入真实约束，如执行器饱和与气动力效应。
• 利用姿态动力学（快速）与位置动力学（慢速）之间的时间尺度分离，简化控制器设计。
• 基于李雅普诺夫方法确保理论稳定性，同时保持实际可实施性。
• 通过悬停至巡航与巡航至悬停过渡的仿真，验证控制器的有效性。

提出的方法

• 控制器采用时间尺度分离方法，将姿态动力学视为快速过程，位置动力学视为慢速过程，实现分层控制设计。
• 通过基于李雅普诺夫的设计方法，推导出虚拟控制输入 θd，利用速度误差反馈稳定位置子系统 (u, w)。
• 采用饱和线性反馈设计转矩 τ：τ = -kθ(θ - θd) - kq(q - qd) + q̇d，确保控制输入有界。
• 通过饱和反馈律计算推力 T：T = -σ3(u - ud) + g√(1 - ε²) - f1(u, w, q) + u̇d，其中 σ3 为饱和函数。
• 系统在二维 (x, z) 平面建模，包含完整的气动力项（阻力 D、升力 L、迎角 α），控制输入为推力 T 与转矩 τ。
• 通过李雅普诺夫函数 V = ½x₁² + ½x₂² 证明稳定性，表明在所提控制律下闭环系统具有渐近稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种平滑、非切换的控制器，实现尾推式无人机在悬停与巡航飞行模式之间的稳定过渡？
• RQ2 如何利用姿态与位置动力学之间的时间尺度分离，简化控制器设计？
• RQ3 何种控制结构可确保稳定性、满足执行器饱和约束，同时考虑气动效应？
• RQ4 基于李雅普诺夫设计并结合饱和函数，能否在存在非线性气动力条件下保证局部渐近稳定性？
• RQ5 过渡过程中控制输入的行为如何？其是否保持有界且连续？

主要发现

• 控制器成功实现了从悬停到巡航模式的稳定过渡，其中 u 显著增加（从约 0.18 增至约 1.0），w 保持较小，导致迎角 α 较低，推力需求减少。
• 在巡航至悬停过渡过程中，速度 u 与 w 逐渐减小至零，导致迎角 α 趋近于零，需增加推力以维持高度，控制输入曲线清晰显示了这一趋势。
• 控制输入 τ 与 T 在两种过渡过程中始终保持有界且平滑，无突变切换或颤振现象，验证了饱和函数设计的有效性。
• 基于李雅普诺夫的稳定性证明确认了在所提控制律下，闭环系统具有局部渐近稳定性。
• 仿真结果表明，控制器能有效保持期望轨迹跟踪，并有效处理非线性气动力（D, L）。
• 由于控制信号有界、连续，且依赖标准传感器状态（u, w, θ, q），该控制器设计具备实际工程实现的可行性。