[论文解读] Design, Modeling and Control for a Tilt-rotor VTOL UAV in the Presence of Actuator Failure

Mohammadreza Mousaei, Junyi Geng+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2022

Adaptive Control of Nonlinear Systems被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对定制倾转旋翼垂直起降无人机（VTOL UAV）的容错控制框架，该平台结合了固定翼气动外形与四个可独立倾斜的旋翼。通过建模可行力矩空间并实施动态控制分配，系统在多种执行器故障（如电机、倾斜伺服、升降舵或副翼故障）下仍能保持稳定飞行，相关性能通过大量仿真及与PX4集成的实时实验得到验证。

ABSTRACT

Enabling vertical take-off and landing while providing the ability to fly long ranges opens the door to a wide range of new real-world aircraft applications while improving many existing tasks. Tiltrotor vertical take-off and landing (VTOL) unmanned aerial vehicles (UAVs) are a better choice than fixed-wing and multirotor aircraft for such applications. Prior works on these aircraft have addressed aerodynamic performance, design, modeling, and control. However, a less explored area is the study of their potential fault tolerance due to their inherent redundancy, which allows them to tolerate some degree of actuation failure. This paper introduces tolerance to several types of actuator failures in a tiltrotor VTOL aircraft. We discuss the design and modeling of a custom tiltrotor VTOL UAV, which is a combination of a fixed-wing aircraft and a quadrotor with tilting rotors, where the four propellers can be rotated individually. Then, we analyze the feasible wrench space the vehicle can generate and design the dynamic control allocation so that the system can adapt to actuator failures, benefiting from the configuration redundancy. The proposed approach is lightweight and is implemented as an extension to an already-existing flight control stack. Extensive experiments validate that the system can maintain the controlled flight under different actuator failures. To the best of our knowledge, this work is the first study of the tiltrotor VTOL's fault-tolerance that exploits the configuration redundancy. The source code and simulation can be accessed at https://theairlab.org/vtol.

研究动机与目标

• 解决尽管倾转旋翼VTOL无人机具备固有配置冗余，但其容错控制研究仍显不足的问题。
• 设计一种混合式倾转旋翼无人机，配备可独立倾斜的旋翼及翼型截面的机臂，以实现结构与控制动力学的解耦。
• 建立非线性动力学模型并分析可行力矩空间，以支持故障自适应控制。
• 开发一种轻量化、实时的控制分配方法，可与现有飞行栈（如PX4）集成。
• 在悬停与巡航模式下，对电机、倾斜角、升降舵及副翼等多种执行器故障进行容错性能验证。

提出的方法

• 设计一款定制倾转旋翼VTOL无人机，配备四个可独立控制倾斜角度与转速的旋翼，并在四旋翼机臂上采用翼型截面。
• 建立飞机的非线性动力学模型，包含旋翼与控制面产生的力与力矩。
• 利用凸优化分析可行力矩空间，以确定在执行器约束下可实现的力与力矩集合。
• 实施动态控制分配，当检测到故障时，将控制力重新分配给健康执行器，结合实时故障识别技术。
• 将容错控制模块作为扩展模块集成至PX4飞行控制栈，实现实时部署。
• 采用基于优化的控制分配方法，计算新的执行器指令，以在故障发生后仍能维持期望飞行轨迹。

实验结果

研究问题

• RQ1 倾转旋翼VTOL无人机是否能在多种执行器故障（如电机、倾斜伺服、升降舵、副翼故障）下保持稳定飞行？
• RQ2 倾转旋翼无人机的配置冗余如何通过动态控制分配实现容错？
• RQ3 当关键执行器发生故障时，系统在高速巡航与悬停模式下，其轨迹跟踪与姿态控制能力可维持到何种程度？
• RQ4 控制系统在未预先知晓故障状态的情况下，能以多快的速度检测并适应故障？
• RQ5 结构变形或不对称推力对倾转旋翼平台容错控制性能有何影响？

主要发现

• 在悬停状态下发生电机故障后，系统成功维持了受控飞行，执行器指令在10秒内收敛，且飞机成功跟踪航路点。
• 当倾斜伺服故障并锁定在60°时，飞机通过重新分配控制权限迅速恢复，即使在显著扰动下仍保持稳定。
• 在巡航飞行中，电机故障通过调整电机转速与控制面偏转得到补偿，倾斜角度保持在全前倾状态以避免结构应力。
• 升降舵故障并锁定在6°后，飞机在±4米范围内保持恒定高度，后部旋翼通过后倾以抵消机头抬头力矩。
• 副翼故障并锁定在15°时，系统通过不对称电机转速与控制面调整实现补偿，飞行稳定维持在±15°副翼偏转范围内。
• 具备故障感知的控制策略防止了立即失控，而缺乏故障知识的系统则因持续尝试控制失效执行器而在数秒内坠毁。