[论文解读] Modeling for Control of Symmetric Aerial Vehicles Subjected to Aerodynamic Forces

Daniele Pucci, Tarek Hamel+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2012

Control and Dynamics of Mobile Robots参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文提出了一套统一的非线性控制框架，用于对称空中飞行器在受到升力和阻力作用时的控制，通过识别一类允许转换为仅具有方向无关阻力的等效球形飞行器模型的气动模型。关键贡献在于对气动特性的条件约束，使得可应用现有的稳定控制律，将先前的二维结果扩展至三维，并扩大了适用的模型家族，确保了具有大吸引域的渐近稳定性。

ABSTRACT

This paper participates in the development of a unified approach to the control of aerial vehicles with extended flight envelopes. More precisely, modeling for control purposes of a class of thrust-propelled aerial vehicles subjected to lift and drag aerodynamic forces is addressed assuming a rotational symmetry of the vehicle's shape about the thrust force axis. A condition upon aerodynamic characteristics that allows one to recast the control problem into the simpler case of a spherical vehicle is pointed out. Beside showing how to adapt nonlinear controllers developed for this latter case, the paper extends a previous work by the authors in two directions. First, the 3D case is addressed whereas only motions in a single vertical plane was considered. Secondly, the family of models of aerodynamic forces for which the aforementioned transformation holds is enlarged.

研究动机与目标

• 开发一种统一的控制方法，适用于涵盖垂直起降（VTOL）和固定翼飞行模式在内的多种飞行状态的空中飞行器。
• 通过将分析扩展至完整的3D运动动力学，克服先前二维控制方法的局限性。
• 识别一类适用于对称飞行器的气动力模型，使得复杂控制问题可简化为仅具有方向无关阻力的球形体的简单情形。
• 使原本专为球形体设计的现有非线性控制方案能够应用于具有显著升力和阻力的现实对称空中飞行器。
• 为可转换空中飞行器在悬停与高速巡航之间过渡期间的鲁棒控制提供基础，此时气动力显著变化。

提出的方法

• 推导对称空中飞行器的完整3D运动方程，考虑推力、重力以及沿机体固定轴作用的气动力（升力和阻力）。
• 提出气动力模型的变换条件，使得系统可重铸为仅受方向无关阻力作用的等效球形飞行器动力学。
• 识别满足该条件的一类升力与阻力模型，利用椭圆形和弹道形飞行体的实验数据验证并校准模型参数。
• 从先前针对球形体的研究中适配一种速度控制律，引入积分作用以处理未建模的恒定扰动并提高鲁棒性。
• 采用反对称矩阵表示角速度，并应用基于速度误差与积分校正的非线性反馈控制律，以确保渐近稳定性。
• 建立理论稳定性结果，证明平衡点（零速度与零俯仰角）是渐近稳定的，且吸引域覆盖整个ℝ³ × (−π, π)。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种气动力模型条件下，可将对称空中飞行器的控制问题简化为仅具有方向无关阻力的球形飞行器问题？
• RQ2 如何将原本为球形体设计的现有非线性控制律适配于具有显著升力和阻力的现实对称空中飞行器？
• RQ3 所得到的控制系统在3D空间中的吸引域范围有多大？与先前的2D结果相比如何？
• RQ4 如何在控制律中引入积分作用，以确保对恒定未建模扰动的鲁棒性？
• RQ5 该变换对可转换空中飞行器在悬停与高速飞行之间过渡期间的控制有何影响？

主要发现

• 本文识别出一类特定的对称飞行器气动力模型，使得控制问题可被转换为仅具有方向无关阻力的球形体的简化情形。
• 变换后的系统可直接应用现有非线性控制方案，确保平衡点（零速度与零俯仰角）的渐近稳定性。
• 受控系统的吸引域被证明为ℝ³ × (−π, π)，表明其在实践中具有强大的全局稳定性特性。
• 控制律中包含积分校正项，可确保对近似恒定的未建模附加扰动具有鲁棒性，增强了实际适用性。
• 该方法成功地将先前的2D控制结果推广至3D，扩大了在完整3D飞行动力学中的适用范围。
• 该方法利用真实飞行体（椭圆形与弹道形）的实验数据进行了验证，证明其在真实飞行器建模与控制中的可行性。