Autonomous helicopter aerial refueling: controller design and performance guarantees

要約

このホワイトペーパーでは、自律ヘリコプターの空中給油の制御設計方法、安定性基準、および性能境界を紹介します。
独立した航空給油は、タンカーの後れ、操作の接触に敏感な性質、ドローグ運動の不確実性との間の空力相互作用のために、特に困難です。
プローブチップはヘリコプターの重力の中心からかなり離れているため、その位置（および速度）はヘリコプターの態度（および角度速度）に強く敏感です。
さらに、ヘリコプターがタンカーの速度に合わせて高速で動作しているという事実は、特定の方向を維持するように強制し、ドッキング操作を特に挑戦的にします。
このホワイトペーパーでは、プローブの位置と速度をフィードバックループに組み込んだ新しい外ループ位置コントローラーを提案します。
プローブチップの位置と速度は、航空機の位置（速度）と態度（角度速度）の両方に依存します。
ドローグ運動の不確実性とヘリコプターの角度加速度の観点から、ドッキングパフォーマンスの分析保証を導き出し、閉ループエラーダイナミクスの最終的な境界特性を使用します。
シミュレーションは、現実的な燃料補給シナリオの提案されたアプローチを検証するために、風の効果の下で高忠実度のドローグモーションを備えた高忠実度UH60ヘリコプターモデルで実行されます。
これらの高忠実度のシミュレーションは、提案された制御方法論が、既存の標準コントローラーと比較して、2ノームのドッキングエラーで36％の改善をもたらすことを明らかにしています。

要約(オリジナル)

In this paper, we present a control design methodology, stability criteria, and performance bounds for autonomous helicopter aerial refueling. Autonomous aerial refueling is particularly difficult due to the aerodynamic interaction between the wake of the tanker, the contact-sensitive nature of the maneuver, and the uncertainty in drogue motion. Since the probe tip is located significantly away from the helicopter’s center-of-gravity, its position (and velocity) is strongly sensitive to the helicopter’s attitude (and angular rates). In addition, the fact that the helicopter is operating at high speeds to match the velocity of the tanker forces it to maintain a particular orientation, making the docking maneuver especially challenging. In this paper, we propose a novel outer-loop position controller that incorporates the probe position and velocity into the feedback loop. The position and velocity of the probe tip depend both on the position (velocity) and on the attitude (angular rates) of the aircraft. We derive analytical guarantees for docking performance in terms of the uncertainty of the drogue motion and the angular acceleration of the helicopter, using the ultimate boundedness property of the closed-loop error dynamics. Simulations are performed on a high-fidelity UH60 helicopter model with a high-fidelity drogue motion under wind effects to validate the proposed approach for realistic refueling scenarios. These high-fidelity simulations reveal that the proposed control methodology yields an improvement of 36% in the 2-norm docking error compared to the existing standard controller.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google