Modeling, Planning, and Control for Hybrid UAV Transition Maneuvers

要約

小型無人航空機 (UAV) は、民間用途と防衛用途の両方で、偵察と測量の標準ツールとなっています。
将来的には、UAV が自律的な荷物配達において極めて重要な役割を果たす可能性がありますが、現在のマルチローター候補はエネルギー効率が悪く、耐久性と航続距離が不十分であるという問題に悩まされています。
必要なホバリング機能を維持しながら荷物配送用 UAV の電力需要を削減するために、Amazon などの企業はハイブリッド垂直離着陸 (VTOL) プラットフォームの実験を行っています。
テールシッター VTOL は、他のハイブリッド VTOL 構成と比較して、機械的にシンプルでコスト効率の高いソリューションを提供します。ハードウェアとマイクロエレクトロニクスの進歩により、テールシッターは荷物配送用に最適化されていますが、その動作の背後にあるソフトウェアは依然として業界での採用に対する重大な障壁となっています。
現在、テールシッターには、飛行領域全体にわたって強力な安全性と堅牢性を保証できる、一般的で計算効率の高い制御方法がありません。
さらに、テールシッターには、ホバリングと巡航の間で動的に実行可能な移行操作を設計するための閉じた形式の方法がありません。
この論文では、小規模テールシッター UAV に現在実装されているモデリングと制御方法を調査し、非線形動的モデルを活用して物理的に実現可能な一定高度での連続ピッチ移行操縦を設計することを試みます。
この論文の主要な結果は、一定高度移動に対する潜在的な障壁を分離し、これらの障壁をバイパスするための新しいアプローチを提案します。
初期の結果では実現可能な移行を実現することはできませんでしたが、この研究は、安全で堅牢かつ計算効率の高い新しい移行操作を設計する将来の取り組みへの足がかりとして機能します。

要約(オリジナル)

Small unmanned aerial vehicles (UAVs) have become standard tools in reconnaissance and surveying for both civilian and defense applications. In the future, UAVs will likely play a pivotal role in autonomous package delivery, but current multi-rotor candidates suffer from poor energy efficiency leading to insufficient endurance and range. In order to reduce the power demands of package delivery UAVs while still maintaining necessary hovering capabilities, companies like Amazon are experimenting with hybrid Vertical Take-Off and Landing (VTOL) platforms. Tailsitter VTOLs offer a mechanically simple and cost-effective solution compared to other hybrid VTOL configurations, and while advances in hardware and microelectronics have optimized the tailsitter for package delivery, the software behind its operation has largely remained a critical barrier to industry adoption. Tailsitters currently lack a generic, computationally efficient method of control that can provide strong safety and robustness guarantees over the entire flight domain. Further, tailsitters lack a closed-form method of designing dynamically feasible transition maneuvers between hover and cruise. In this paper, we survey the modeling and control methods currently implemented on small-scale tailsitter UAVs, and attempt to leverage a nonlinear dynamic model to design physically realizable, continuous-pitch transition maneuvers at constant altitude. Primary results from this paper isolate potential barriers to constant-altitude transition, and a novel approach to bypassing these barriers is proposed. While initial results are unsuccessful at providing feasible transition, this work acts as a stepping stone for future efforts to design new transition maneuvers that are safe, robust, and computationally efficient.

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