[论文解读] Modeling and Control of Inverted Flight of a Variable-Pitch Quadrotor

Namrata Gupta, Mangal Kothari+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2017

Adaptive Control of Nonlinear Systems参考文献 17被引用 11

一句话总结

本文提出了一种用于变距四旋翼机的非线性动态逆控制器，通过基于桨叶桨距控制的快速推力调节，实现了包括倒飞和翻滚机动在内的高难度飞行动作。该控制器采用三重回路结构——外环轨迹跟踪、内环速率控制，以及基于推力系数导数的虚拟输入的控制分配回路，以处理推力-扭矩之间的非理性的关系，成功在仿真和实际飞行中实现了姿态稳定与轨迹跟踪。

ABSTRACT

This paper carries out the mathematical modeling, simulation, and control law design for a quadrotor with variable-pitch propellers. The use of variable-pitch propeller for thrust variation instead of RPM regulation facilitates generation of negative thrust, thereby augmenting the rate of change of thrust generation amenable for aggressive maneuvering. Blade element theory along with momentum theory is used to estimate propeller thrust and torque essential for formulating equation of motion of the vehicle. The proposed flight dynamics model is used for non-linear control design using dynamic inversion technique, which is then used to stabilize, track reference trajectory, and simulate flip maneuver. The rotor torque is an irrational function of the control input which makes the control design challenging. To address this problem, the control design employs three loops. The outer loop solves the translational dynamics to generate the thrust, pitch angle, and roll angle commands required to track the prescribed trajectory. Using the command generated in the outer loop, the inner loop simplifies the rotational dynamics to provide the desired rate of angular velocities. A control allocation loop is added to address the problem of nonlinearity associated with rotor torque. This is done by introducing the derivative of thrust coefficient as a virtual control input. These virtual inputs determine the derivatives of thrust and body moments, which in turn is used to generate the required thrust and body moments. The concept is validated by showing attitude stabilization in real flight for a variable pitch quadrotor. The performance of the proposed design is shown through simulated results for attitude stabilization and trajectory following. Reverse thrust capability of variable-pitch quadrotor is also shown by performing flip maneuver in which quadrotor roll angle changes from 0 to 180 degrees.

研究动机与目标

• 解决固定桨距四旋翼机在高难度机动和大规模应用中因转速控制带宽和扭矩限制而产生的局限性。
• 基于叶片元理论与动量理论，建立用于变距四旋翼机的完整六自由度飞行动力学模型。
• 设计一种非线性控制器，能够利用桨距控制实现姿态稳定、轨迹跟踪以及倒飞状态下的翻滚动作。
• 通过一种新颖的基于虚拟控制输入的控制分配回路，克服变距旋翼中桨距与旋翼力之间非理性的关系。
• 在仿真和实际飞行中验证控制器在倒飞状态下的姿态稳定与轨迹跟踪性能。

提出的方法

• 结合叶片元理论与动量理论，对旋翼推力与扭矩进行建模，以捕捉其对转速和桨叶桨距角的非线性依赖关系。
• 推导考虑可变推力与力矩生成的变距四旋翼机完整六自由度运动方程。
• 实现三重回路控制架构：外环用于轨迹跟踪（生成推力、俯仰与滚转指令），内环用于速率控制，以及控制分配回路。
• 引入推力系数导数作为虚拟控制输入，以线性化非线性旋翼扭矩动力学并简化控制分配。
• 采用动态逆方法设计非线性控制器，将期望轨迹映射为所需旋翼输入，同时确保系统稳定性。
• 在翻滚过程中实施坐标系重定向，以保持一致的控制逻辑与姿态跟踪性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 变距四旋翼机是否能够通过基于桨距的推力控制实现稳定的倒飞和高难度机动（如翻滚）？
• RQ2 如何设计一种非线性控制器，以处理变距旋翼中固有的非理性的推力-扭矩关系？
• RQ3 在从正飞到倒飞的过渡过程中，需要何种控制架构以实现稳定与轨迹跟踪？
• RQ4 与基于转速的控制相比，基于桨距的推力调节在多大程度上提升了控制带宽与机动性？
• RQ5 基于推力系数导数的虚拟输入的控制分配策略在多大程度上提升了控制器性能与鲁棒性？

主要发现

• 变距四旋翼机成功完成了从0°到180°横滚的翻滚机动，整个过渡过程约1秒，横向漂移仅0.14 m，垂直位移仅0.07 m。
• 在倒飞状态下，所有旋翼均以负总桨距角运行以产生向上推力，证实了持续倒飞的可行性。
• 控制器在倒飞状态下实现了精确的轨迹跟踪，翻滚过渡期间X和Y方向仅出现轻微初始偏差。
• 采用推力系数导数作为虚拟输入的控制分配回路有效管理了非线性旋翼动力学，实现了稳定控制。
• 仿真结果表明，控制器在整个飞行包线内均保持高性能，包括高难度机动与姿态转换。
• 实际飞行验证表明，所提出的控制策略成功实现了姿态稳定，证实了该方法的实际可行性。