A Unified MPC Strategy for a Tilt-rotor VTOL UAV Towards Seamless Mode Transitioning

要約

長距離飛行と垂直離着陸 (VTOL) の機能は、アーバン エア モビリティ (UAM) にとって不可欠です。
ティルトローター VTOL には、制御権限が冗長であるため、制御の単純さとシステムの複雑さのバランスが取れるという利点があります。
これらの航空機を制御するための以前の研究では、異なる車両構成に対して個別のコントローラとスイッチングモードが必要か、または制御割り当てを個別のアクチュエータセットに実行する必要があり、ティルトローターの冗長性の可能性を十分に活用できませんでした。
この論文では、モード切り替えを必要とせず、一貫した方法で制御割り当てを実行できる、カスタマイズされたティルトローター VTOL 無人航空機 (UAV) 向けの統合 MPC ベースの制御戦略を紹介します。
VTOL 設計に 4 つの独立して制御可能なローターを組み込むことで、さらなるレベルの冗長性が提供され、VTOL がアクチュエーターの故障に対応できるようになります。
この結果は、私たちのアプローチが統合制御を維持しながら PID コントローラーよりも優れたパフォーマンスを発揮することを示しています。
これにより、VTOL はスムーズな加減速と正確な協調旋回を実行できます。
さらに、独立して制御される傾斜により、航空機はアクチュエータの故障に対処できるため、サーボやモーターが故障した場合でも航空機は確実に動作し続けることができます。

要約(オリジナル)

Capabilities of long-range flight and vertical take-off and landing (VTOL) are essential for Urban Air Mobility (UAM). Tiltrotor VTOLs have the advantage of balancing control simplicity and system complexity due to their redundant control authority. Prior work on controlling these aircraft either requires separate controllers and switching modes for different vehicle configurations or performs the control allocation on separate actuator sets, which cannot fully use the potential of the redundancy of tiltrotor. This paper introduces a unified MPC-based control strategy for a customized tiltrotor VTOL Unmanned Aerial Vehicle (UAV), which does not require mode-switching and can perform the control allocation in a consistent way. The incorporation of four independently controllable rotors in VTOL design offers an extra level of redundancy, allowing the VTOL to accommodate actuator failures. The result shows that our approach outperforms PID controllers while maintaining unified control. It allows the VTOL to perform smooth acceleration/deceleration, and precise coordinated turns. In addition, the independently controlled tilts enable the vehicle to handle actuator failures, ensuring that the aircraft remains operational even in the event of a servo or motor malfunction.

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