[论文解读] A Swash Mass Unmanned Aerial Vehicle: Design, Modeling and Control

Andrea M. Tonello, Babak Salamat|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2019

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 24被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型无人飞行器（UAV）设计，称为摆振质量无人机（swash mass UAV），该设计采用共轴旋翼和四个可移动的惯性质量块，以实现姿态控制与垂直起降（VTOL）能力。通过推导非线性动力学模型并应用基于李雅普诺夫的反步控制律，系统在时间变化的惯性效应下仍能实现精确轨迹跟踪，包括高动态机动，其控制设计基于恒定惯性近似。

ABSTRACT

In this paper, a new unmanned aerial vehicle (UAV) structure, referred to as swash mass UAV, is presented. It consists of a double blade coaxial shaft rotor and four swash masses that allow changing the orientation and maneuvering the UAV. The dynamical system model is derived from the Newton extquotesingle s law framework. The rotational behavior of the UAV is discussed as a function of the design parameters. Given the uniqueness and the form of the obtained non-linear dynamical system model, a back-stepping control mechanism is proposed. It is obtained following the Lyapunov's control approach in each iteration step. Numerical results show that the swashed mass UAV can be maneuvered with the proposed control algorithm so that linear and aggressive trajectories can be accurately tracked.

研究动机与目标

• 提出一种新颖的机械无人机结构，以实现VTOL和高敏捷机动，且无需复杂的旋翼倾角盘机构。
• 基于牛顿力学，推导摆振质量无人机的完整非线性动力学系统模型。
• 分析设计参数（如质量分布、旋翼尺寸）对控制输入响应与系统稳定性的影响。
• 为在耦合、欠驱动动力学条件下实现轨迹跟踪，开发一种鲁棒的非线性控制策略。
• 通过数值仿真验证控制方法，结果表明系统能精确跟踪线性和高动态参考轨迹。

提出的方法

• 该无人机结构采用双桨叶共轴旋翼提供升力，四个可移动质量块安装于机体上，通过重力产生控制力矩。
• 基于牛顿定律推导完整的非线性动力学系统模型，包含因质量移动而引起的时变惯性。
• 将系统分解为完全驱动子系统（旋翼转速）与耦合的欠驱动子系统（质量位移），从而支持反步控制设计。
• 开发基于李雅普诺夫的反步控制律，并通过构建复合李雅普诺夫函数证明俯仰与滚转状态的稳定性。
• 将惯性矩阵近似为常数，以简化控制律推导，从而显式表达控制输入与跟踪误差及增益的关系。
• 推导出滚转与俯仰的控制输入作为状态误差与控制增益的函数，确保跟踪误差的渐近收敛。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种新型无人机结构，以实现VTOL和高敏捷机动，且不依赖复杂的旋翼倾角盘机构？
• RQ2 质量分布与旋翼动力学对摆振质量无人机中控制输入响应有何影响？
• RQ3 基于李雅普诺夫的反步控制器能否稳定摆振质量无人机的非线性、欠驱动动力学？
• RQ4 时变惯性矩阵如何影响控制设计？何种近似方法可使控制律推导变得可行？
• RQ5 所提出的控制律在多大程度上可实现对复杂、高动态轨迹的精确跟踪？

主要发现

• 反步控制律成功稳定了俯仰与滚转动力学，确保跟踪误差渐近收敛至零。
• 滚转控制输入被推导为 ℓ_y = (I_c / (βT_1 cos(x_5))) * (e_5 + k_1 e_6 - k_1² e_5 + k_2 e_6)，并确保李雅普诺夫导数为半负定。
• 数值结果表明，在所提出的控制律下，摆振质量无人机能精确跟踪线性和高动态参考轨迹。
• 通过协调控制旋翼转速与质量位移，系统实现了稳定悬停与VTOL能力。
• 将惯性矩阵近似为常数，使控制设计具有可处理性且有效，稳定性通过李雅普诺夫分析得到证明。
• 控制增益 k_1 与 k_2 被证明可调控误差项的收敛速率，正值可确保渐近稳定性。