Nonlinear Model Predictive Velocity Control of a VTOL Tiltwing UAV

控制理论(社会学) 模型预测控制 空气动力学 非线性系统 非线性模型 飞行包线 攻角 弹道 工程类 计算机科学 航空航天工程 控制(管理) 物理 人工智能 量子力学 天文
作者
David Rohr,Matthias Studiger,Thomas Stastny,Nicholas Lawrance,Roland Siegwart
出处
期刊:IEEE robotics and automation letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:6 (3): 5776-5783 被引量:28
标识
DOI:10.1109/lra.2021.3084888
摘要

This letter presents the modeling, system identification and nonlinear model predictive control (NMPC) design for longitudinal, full envelope velocity control of a small tiltwing hybrid unmanned aerial vehicle (H-UAV). A first-principles based dynamics model is derived and identified from flight data. It captures important aerodynamic effects including propeller-wing interaction and stalled airfoils, but is still simple enough for on-board online trajectory optimization. Based on this model, a high-level NMPC is formulated which optimizes throttle, tilt-rate and pitch-angle setpoints in order to track longitudinal velocity trajectories. We propose and investigate different references suitable to regularize the optimization problem, including both offline generated trims as well as preceding NMPC solutions. In simulation, we compare the NMPC with a frequently reported dynamic inversion approach for H-UAV velocity control. Finally, the NMPC is validated in flight experiments through a series of transition maneuvers, demonstrating good tracking capabilities in the full flight envelope.

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