[论文解读] Lifting-wing Quadcopter Modeling and Unified Control

Quan Quan, Shuai Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2023

Aerospace and Aviation Technology被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型倾转翼四旋翼无人机，通过将可倾转的升力翼与四旋翼旋翼结合，实现了垂直起降与高效前飞的统一。基于优化控制分配的统一控制器实现了悬停与前飞模式之间的无缝过渡，通过协同利用旋翼推力与气动力，降低了能耗，硬件在环（HIL）仿真显示其过渡性能优越，在高速机动中相比垂尾式设计节能达30%。

ABSTRACT

Hybrid unmanned aerial vehicles (UAVs) integrate the efficient forward flight of fixed-wing and vertical takeoff and landing (VTOL) capabilities of multicopter UAVs. This paper presents the modeling, control and simulation of a new type of hybrid micro-small UAVs, coined as lifting-wing quadcopters. The airframe orientation of the lifting wing needs to tilt a specific angle often within $ 45$ degrees, neither nearly $ 90$ nor approximately $ 0$ degrees. Compared with some convertiplane and tail-sitter UAVs, the lifting-wing quadcopter has a highly reliable structure, robust wind resistance, low cruise speed and reliable transition flight, making it potential to work fully-autonomous outdoor or some confined airspace indoor. In the modeling part, forces and moments generated by both lifting wing and rotors are considered. Based on the established model, a unified controller for the full flight phase is designed. The controller has the capability of uniformly treating the hovering and forward flight, and enables a continuous transition between two modes, depending on the velocity command. What is more, by taking rotor thrust and aerodynamic force under consideration simultaneously, a control allocation based on optimization is utilized to realize cooperative control for energy saving. Finally, comprehensive Hardware-In-the-Loop (HIL) simulations are performed to verify the advantages of the designed aircraft and the proposed controller.

研究动机与目标

• 开发一种混合型无人飞行器，兼具多旋翼的垂直起降能力与固定翼飞行的高效性。
• 通过引入一种升力翼倾斜约45°的新构型，解决垂尾式与倾转旋翼机在控制上的挑战。
• 设计一种统一控制器，将悬停与前飞视为连续飞行阶段。
• 通过联合分配旋翼与气动面（如副翼）的控制量，优化能量效率。
• 通过全面的硬件在环（HIL）仿真验证设计与控制器性能。

提出的方法

• 建立了涵盖旋翼与升力翼在机体、机翼与风坐标系中受力与力矩的综合动力学模型。
• 制定了统一控制律，根据速度指令动态调整，实现悬停与前飞模式之间的平滑过渡。
• 实施基于优化的控制分配策略，协调旋翼推力与气动力，以最小化能耗。
• 在高速飞行期间，采用类似固定翼的动态模型生成前馈偏航速率，实现协调转弯。
• 利用高保真飞机模型与实时飞行控制器开展HIL仿真，验证性能表现。
• 采用风洞CFD数据确定最大能效对应的迎角（α = 4°）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使混合型无人机在无需复杂过渡作动器的情况下，实现垂直起降与前飞之间的无缝过渡？
• RQ2 何种控制策略可使单一控制器统一处理四旋翼式悬停与固定翼式巡航飞行？
• RQ3 在高频机动过程中，旋翼与气动面之间的协调控制分配能在多大程度上降低能耗？
• RQ4 与垂尾式无人机相比，倾转翼四旋翼机在过渡时间与高度控制精度方面表现如何？
• RQ5 副翼在高速飞行中对提升能效与横向控制性能方面起到何种作用？

主要发现

• 倾转翼四旋翼机从悬停到18 m/s空速的过渡时间仅为4.7秒，显著快于同类垂尾式无人机的7.1秒。
• 过渡过程中的最大高度误差仅为0.09 m，表明控制精度与稳定性极高。
• 在20 m/s速度下，副翼的使用显著降低了功率消耗，因高速下气动力贡献更强。
• 统一控制器实现了悬停与前飞之间的平滑、连续过渡，无需模式切换逻辑或额外控制器。
• 控制器通过模仿固定翼控制规律减小了巡航阶段的侧滑角，提升了气动效率。
• HIL仿真结果证实，与仅依赖旋翼控制相比，所提出的控制分配策略在高频控制输入下可实现最高达30%的能耗降低。