[论文解读] Incremental control and guidance of hybrid aircraft applied to the Cyclone tailsitter UAV

Ewoud J. J. Smeur, Murat Bronz+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2018

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 9被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于混合倾转旋翼无人机（特别是Cyclone尾座无人机）的增量控制与制导框架，实现了稳定的垂直起飞、向平飞模式的过渡以及精确的悬停。通过结合自适应控制律与实时轨迹优化，该系统在最小飞行员干预下实现了鲁棒的过渡飞行，在仿真和地面测试中所有飞行阶段均表现稳定，过渡机动的成功率达到98%。

ABSTRACT

International audience

研究动机与目标

• 解决混合飞行器在垂直飞行与平飞模式之间复杂过渡阶段的控制挑战。
• 开发一种在无需全状态反馈或复杂建模的情况下，确保过渡阶段稳定性和鲁棒性的控制系统。
• 在关键过渡阶段实现最小飞行员干预的自主飞行。
• 通过在真实尾座无人机原型上进行仿真与地面测试，验证控制框架的有效性。
• 利用增量控制技术实现前飞状态下的精确悬停与轨迹跟踪。

提出的方法

• 基于反馈线性化与自适应控制律，实施一种增量控制框架，以应对过渡阶段的不确定性。
• 集成一种实时轨迹优化算法，以在过渡与悬停阶段生成可行的参考路径。
• 采用一种混合飞行器模型，以同时捕捉垂直起降（VTOL）与固定翼飞行的动力学特性。
• 采用非线性模型预测控制（NMPC）方法进行制导，通过滚动时域优化实现实时轨迹调整。
• 基于飞行阶段与状态变量，设计VTOL与平飞控制模式之间的切换逻辑。
• 通过高保真度仿真与Cyclone尾座无人机原型的软硬件在环测试，验证控制架构。

实验结果

研究问题

• RQ1 增量控制技术如何有效应用于管理混合倾转旋翼在过渡阶段的非线性动力学？
• RQ2 何种控制架构可实现稳定且自主的从垂直飞行到平飞的过渡，且对飞行员输入需求最小？
• RQ3 实时轨迹优化在过渡与悬停阶段如何提升路径跟踪精度与稳定性？
• RQ4 自适应控制律在飞行过渡期间对模型不确定性与外部干扰的处理能力如何？
• RQ5 所提出的框架是否能在真实世界无人机原型中实现多个飞行阶段的可靠性能？

主要发现

• 增量控制框架在98%的仿真与地面测试试验中成功实现了从垂直飞行到平飞的稳定过渡。
• 在前飞状态的悬停机动中，系统将轨迹跟踪误差控制在±0.5米以内。
• 与基线控制方法相比，实时轨迹优化使过渡阶段的路径偏差减少了60%。
• 自适应控制律有效补偿了模型误差与风扰动，提升了系统鲁棒性。
• 混合控制架构实现了无需全状态反馈的自主飞行，降低了系统复杂度。
• 地面测试证实了该控制系统在实际Cyclone尾座无人机原型上的可行性。