Trajectory Generation and Tracking Control for Aggressive Tail-Sitter Flights

要約

私たちは、テールシッター UAV の軌道生成と追跡制御に関連する理論的および実践的な問題に取り組みます。
理論的には、実際のUAV空力モデルを最大限に活用して平坦度差特性に焦点を当て、動的に実現可能な軌道を生成し、高性能の追従制御を実現するための基盤を築きます。
調整飛行条件を指定し、フラット出力として車両位置を選択することにより、テールシッターは飛行エンベロープ全体内で正確な空力モデルを使用して差分フラットであることがわかりました。
この基本的な特性により、軌道計画と追跡制御において忠実度の高い空力モデルを最大限に活用して、正確なテールシッター飛行を実現することができます。
特に、運動力学的制約、特異点のない制約、およびアクチュエータの飽和を考慮して、高品質で滑らかな軌道を設計するために、テールシッター用の最適化ベースの軌道プランナーが提案されています。
平坦な出力の計画軌道は、環境の風を考慮してリアルタイムで状態軌道に変換されます。
状態の軌道を追跡するために、グローバルで特異点がなく、最小限のパラメータ化が行われた多様体上 MPC が開発されます。これは、正確な空気力学モデルを最大限に活用して、飛行エンベロープ全体内で高精度の軌道追跡を実現します。
提案されたフレームワークの有効性は、特定の姿勢と最大 10m/s の速度を必要とする連続する狭い窓を通過する機敏な SE(3) 飛行、典型的なテールシッター操縦など、屋内と屋外の両方のフィールドテストにおける広範な実世界実験を通じて実証されています。
最大 20m/s の速度でのトランジション、水平飛行、および徘徊）、および最大 2.5g の加速度で非常にアグレッシブな曲技飛行 (ウイングオーバー、ループ、バーティカル エイト、キューバン エイト) が可能です。

要約(オリジナル)

We address the theoretical and practical problems related to the trajectory generation and tracking control of tail-sitter UAVs. Theoretically, we focus on the differential flatness property with full exploitation of actual UAV aerodynamic models, which lays a foundation for generating dynamically feasible trajectory and achieving high-performance tracking control. We have found that a tail-sitter is differentially flat with accurate aerodynamic models within the entire flight envelope, by specifying coordinate flight condition and choosing the vehicle position as the flat output. This fundamental property allows us to fully exploit the high-fidelity aerodynamic models in the trajectory planning and tracking control to achieve accurate tail-sitter flights. Particularly, an optimization-based trajectory planner for tail-sitters is proposed to design high-quality, smooth trajectories with consideration of kinodynamic constraints, singularity-free constraints and actuator saturation. The planned trajectory of flat output is transformed to state trajectory in real-time with consideration of wind in environments. To track the state trajectory, a global, singularity-free, and minimally-parameterized on-manifold MPC is developed, which fully leverages the accurate aerodynamic model to achieve high-accuracy trajectory tracking within the whole flight envelope. The effectiveness of the proposed framework is demonstrated through extensive real-world experiments in both indoor and outdoor field tests, including agile SE(3) flight through consecutive narrow windows requiring specific attitude and with speed up to 10m/s, typical tail-sitter maneuvers (transition, level flight and loiter) with speed up to 20m/s, and extremely aggressive aerobatic maneuvers (Wingover, Loop, Vertical Eight and Cuban Eight) with acceleration up to 2.5g.

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