Modelling and Control of a Vertical Take-Off and Landing Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicle

Abstract

Helikopter og fixed-wing fly anses vanligvis som separate konsepter, hver med sine egne styrker og svakheter. De siste ti årene har det vært en økende interesse rettet mot hybrid ubemannede luftfartøy (UAV) som forsøker å kombinere vertikal take-off og landing (VTOL) fra helikoptre med flyenes mer energieffektive egenskaper over lengre flyvninger. I forbindelse med forskning på luftbårne sensorplatformer har Forsvarets Forskningsinstitutt (FFI) utviklet et konseptfly kalt Kestrel. Kestrel er et dual propulsion hybrid UAV utstyrt med fire propeller for VTOL i tillegg til et komplett kontrollsystem for fixed-wing flyvning. Denne oppgaven er laget for å tilrettelegge for videre forskning på og med Kestrel UAV. Det eksisterer lite forskning som ser på methoder for modellering, estimering og kontroll av dual propulsion fartøy. Med Kestrel som utgangspunkt har en dynamisk modell over all seks frihetsgrader som tar for seg de viktikste kreftene og rotasjonsmomentene blitt utviklet. Et luftfartøy har blitt simulert ved bruk av ulike modeller under sveving og langsgående fixed-wing flyinger. Lineær parameter-variende (LPV) multippel modell adaptive (MMA) metoder ble undersøkt som potensielle løsningskonsepter for estimering og kontroll av UAVen over vidt forskjellige flyforhold mens det var store usikkerheter knyttet til flyets fysiske parametere. Lineære metoder ble brukt for estimering, og en lineær kvadratisk regulator (LQR) ble brukt for kontroll i begge flymoduser. I quadcopter modus klarte kontrollalgoritmen å følge setpunkt. Så lenge bevegelsen til UAVen var innen begrensningene til de lineære modellene klarte MMA algoritmen å identifisere korrekt kandidatmodell. For langsgående flyvning klarte flyet stabile flyvninger, samt å følge variasjoner i setpunkt av ønsket høyde og lufthastighet. Under flyvninger nær lineariseringspunktene klarte MMA algorithmen å identifisere korrekt kandidatmodell. Da flyet beveget seg bort fra disse lineariseringspunktene var det andre faktorer som ble avgjørende for kvaliteten på de ulike lineære modellene. Dette gjorde MMA algoritmen ute av stand til å identifisere korrekt kandidatmodell. En LPV akitektur ble forsøkt implementert uten hell. Til tross for dette er den fortsatt ansett som en mulig løsningsmetode for å realisere stabil transisjon mellom svening i quadrocopter modus og flyvning i fixed-wing modus.