[论文解读] Experiments with small helicopter automated landings at unusual attitudes

Selcuk Bayraktar, Éric Féron|ArXiv.org|Sep 12, 2007

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 15被引用 13

一句话总结

本论文首次通过实验实现了小型电动直升机在最大俯仰角达60度的倾斜表面上的自主着陆，采用简化的比例控制律来控制姿态误差，并通过带有积分作用的垂直速度控制器实现控制。该系统通过精确的姿态跟踪与开环轨迹执行实现稳定着陆，标志着小型无人飞行器向类鸟类俯冲着陆行为迈出了关键一步。

ABSTRACT

This paper describes a set of experiments involving small helicopters landing automated landing at unusual attitudes. By leveraging the increased agility of small air vehicles, we show that it is possible to automatically land a small helicopter on surfaces pitched at angles up to 60 degrees. Such maneuvers require considerable agility from the vehicle and its avionics system, and they pose significant technical and safety challenges. Our work builds upon previous activities in human-inspired, high-agility flight for small rotorcraft. However, it was not possible to leverage manual flight test data to extract landing maneuvers due to stringent attitude and position control requirements. Availability of low-cost, local navigation systems requiring no on-board instrumentation has proven particularly important for these experiments to be successful.

研究动机与目标

• 展示小型自主直升机在最大俯仰角达60度的倾斜表面上实现稳定着陆的能力，此类表面对于传统控制系统极具挑战性。
• 研究利用小型、低成本旋翼飞行器在有限机载仪器条件下实现高敏捷自主着陆机动的可行性。
• 开发并测试一种控制架构，以实现对高调制着陆剖面的精确姿态跟踪与垂直速度控制。
• 在受限的室内飞行环境中，通过实时姿态反馈与人工中止功能，对方法进行实验验证。
• 为未来小型无人飞行器实现自主俯冲着陆与全姿态着陆能力奠定基础，模拟鸟类飞行行为。

提出的方法

• 采用改装后的Robbe Eolo Pro电动直升机作为飞行试验平台，配备恒速旋翼与Bell-Hillier稳定杆，以增强动态稳定性。
• 基于姿态误差对周期变距输入应用比例控制律：δ_rolling = kϕ·εx，δ_pitching = kθ·εy，δ_rud = kψ·εz，其中ε表示角误差向量。
• 通过集体桨距上的PI控制器实现垂直速度控制，采用简化动力学模型：T_coll = k_coll·δ_coll，通过调节推力实现期望的垂直加速度。
• 控制系统以离散、开环方式运行，通过向控制架构施加阶跃输入以启动每个着陆阶段。
• 着陆垫由人工调整俯仰角，范围从10°至60°，轨迹通过机载姿态传感器与飞行后分析进行追踪。
• 定义了飞行走廊以确保安全，当位置误差超出边界时，通过人工触发中止程序。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅依靠机载姿态反馈与低成本导航系统，小型自主直升机是否能实现对最大俯仰角达60度的倾斜表面的稳定、受控着陆？
• RQ2 何种控制架构可为欠驱动、小型旋翼飞行器在高俯仰角着陆机动中提供足够的敏捷性与稳定性？
• RQ3 在极端姿态状态下，简化比例姿态控制律的性能与更复杂的非线性控制器相比如何？
• RQ4 当缺乏实时位置反馈时，开环轨迹执行在自主着陆中的有效性在多大程度上得以实现？
• RQ5 当前低成本导航系统在实现非水平表面高精度、高敏捷着陆方面存在哪些实际限制？

主要发现

• 直升机成功在最大俯仰角达60度的表面上实现了自主着陆，这是首次公开发表的此类机动实验演示。
• 初始着陆在10度俯仰角下进行，用于校准控制与中止程序，随后逐步将俯仰角增加至60度。
• 控制系统通过基于姿态误差的比例控制律实现了稳定姿态跟踪，阻尼由固有动力学（包括稳定杆与陀螺效应）提供。
• 成功着陆的轨迹以侧视与顶视图形式可视化，显示在0.06秒时间间隔内实现受控下降与姿态调整。
• 由于开环位置误差，多次着陆被中止，其中一次失败情况如图11所示，飞行器显著偏离飞行走廊。
• 结果表明，当前小型无人飞行器平台与控制架构下，实现高敏捷、全姿态着陆是可行的，但实时位置反馈对系统鲁棒性至关重要。