[论文解读] L1 guidance logic extension for small UAVs: handling high winds and small loiter radii

Thomas Stastny|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2018

Guidance and Control Systems被引用 5

一句话总结

该论文通过引入用于路径收敛的自适应L₁比例和用于防止失控的航向可行性参数，将小固定翼无人机的L₁制导逻辑扩展至高风速和小盘旋半径场景。该方法根据风速条件动态调整L₁周期和空速参考值，即使在风速超过空速或盘旋半径较小时，也能实现稳定、安全的盘旋飞行，仿真结果验证了改进的跟踪性能和控制稳定性。

ABSTRACT

L1 guidance logic is one of the most widely used path following controllers for small fixed-wing unmanned aerial vehicles (UAVs), primarily due to its simplicity (low-cost implementation on embedded on-board processors, e.g. micro-controllers) and ability to track both circles and lines, which make up the vast majority of a typical fixed-wing vehicle's flight plan. The logic was later extended for speed independent dynamic similarity with an adaptive L1 distance, a formulation currently used on common open-source autopilot platforms. Two primary drawbacks remain, specific to small, slow flying fixed-wing UAVs; namely, 1) the combination of low operator defined gains and high ground speeds may violate the bounds of the algorithms convergence region for the case of loiter circles with small radii and 2) L1 logic breaks down when wind speeds exceed the vehicle's airspeed, another common predicament for small, slow-flying UAVs. This brief presents simple extensions to this extensively field tested algorithm, allowing legacy operators to keep existing controller tunings while taking advantage of the enhanced performance and safety features developed within.

研究动机与目标

• 解决小固定翼无人机中L₁长度超过盘旋半径时导致路径无法收敛的问题。
• 解决当风速超过无人机空速时出现的不稳定和失控行为，这是慢速飞行平台的常见问题。
• 通过保留原有控制器增益，确保与现有开源飞控系统（如PX4、ArduPilot）的兼容性。
• 通过混合跟踪/安全目标，在超风条件下实现安全、连续的控制动作。
• 通过根据实时地速和风速条件自适应调整L₁参数，实现无需操作员频繁调参的稳定盘旋飞行。

提出的方法

• 引入自适应L₁比例，在L₁ > R时重新计算L₁ = min(L₁, R)，以满足收敛条件L₁ ≤ R。
• 采用线性斜坡函数，平滑过渡从正常L₁比例到自适应L₁比例，当飞机接近盘旋圆圈时生效。
• 定义航向可行性参数，当地速方向不稳定时，将控制指令从路径跟踪切换至抗风控制。
• 实施与风速比和可行性成比例的非零空速参考增量，防止地速失控。
• 利用余弦定理和几何约束计算L₁航向和误差角η，确保一致的路径跟随。
• 应用饱和和取模函数（如wrap_pi、constrain），以保持数值稳定并避免在盘旋中心附近出现奇点。

实验结果

研究问题

• RQ1 当盘旋半径小于标称L₁长度时，L₁制导能否仍能保持路径收敛？
• RQ2 在风速超过无人机空速的高风速条件下，如何稳定L₁制导？
• RQ3 何种控制策略可实现在超风条件下的连续、安全控制动作，避免bang-bang振荡？
• RQ4 所提出的扩展方法能否保留原有控制器增益，并集成到现有开源飞控系统中？
• RQ5 航向可行性参数如何提升控制平滑性，并在阵风或持续超风条件下防止失控？

主要发现

• 自适应L₁比例成功实现了小盘旋半径（如R = 15 m）下的路径收敛，而原始L₁逻辑在此情况下失效。
• 在中等风速（3 m/s）下，自适应L₁比例通过响应地速变化动态调整有效周期，实现了更紧密的跟踪性能。
• 在恒定超风（12 m/s，高于空速3 m/s）条件下，原始L₁逻辑导致不稳定的振荡滚转指令和失控行为。
• 航向可行性函数在超风条件下成功将控制切换至安全目标，实现了稳定、连续的滚转参考指令，并在终端状态达到零地速。
• 在正弦风阵风（平均10 m/s，振幅2 m/s）条件下，扩展方法保持了平滑、无振荡的控制输入，而原始L₁逻辑表现出bang-bang行为。
• 空速参考增量在不可行条件下有效匹配风速，实现了稳定、迎风盘旋，且地速极小。