Nonlinear Flight Control Law Design for a Hybrid Quad-Plane Unmanned Aerial Vehicle

Hybrid quad-plane unmanned aerial vehicles (UAVs), also known as dual-system hybrid UAVs, combine the advantages of multicopters and fixed-wing UAVs and have recently been gaining increasing attention. However, quad-planes are characterized by complex structures, high nonlinearity, strong coupling, effector redundancy, and three flight regimes (hover, transition, and fixed-wing flight), posing significant challenges for researching their flight control laws. Classical linear control laws have been widely used for quad-planes, but their limited adaptability can lead to degraded flight performance.

To enhance the flight performance of a quad-plane named Scihunter, this thesis aims to design nonlinear flight control laws for it in the three flight regimes. These control laws should enable Scihunter to autonomously follow a predefined path and achieve stable and smooth transition flight. Nonlinear flight control laws, based on incremental nonlinear dynamic inversion (INDI) and linear parameter-varying (LPV) control methods, are proposed in this thesis because they are simple to design, easy to implement, and offer superior control performance. Moreover, due to the distinct flight characteristics in the three flight regimes, the variable structure control technique is employed in the control law design.

A brief analysis of Scihunter's mathematical model is first provided, followed by the proposed cascade control structures divided into inner and outer loops. Then, control laws based on INDI control are designed for each control loop in hover and fixed-wing flight. During the control law design for transition flight, an extension of INDI, incremental nonlinear control allocation, is adopted to address effector redundancy and achieve a smooth flight transition.

Subsequently, control laws based on LPV control are proposed for the three flight regimes. The loop shaping-based parameter-dependent Lyapunov function method is used to design the inner-loop control law. To reduce the controller order and improve computational efficiency, the proportional-integral-derivative (PID) control method is used to track outer commands. Given the over-actuated property of Scihunter in transition flight, the weighted least square control allocation strategy is utilized to allocate virtual control inputs to actual actuators to fulfill transition requirements.

Finally, simulations are conducted in four cases: a nominal case, a measurement noise case, a wind disturbance case, and a model parameter uncertainty case, to evaluate the designed control laws. To provide a benchmark for comparison, the conventional flight control law for quad-planes, designed using the PID control method, is chosen as a comparison group. Simulation results corroborate the performance improvements achieved by the proposed control laws.

Hybride unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) in Quad-Plane Konfiguration, auch bekannt als Dual-System-Hybrid-UAVs, vereinen die Vorteile von Multikoptern und Starrflügel-UAVs und haben in letzter Zeit zunehmende Aufmerksamkeit erlangt. Quad-Planes sind jedoch durch komplexe Strukturen, hohe Nichtlinearitäten, starke Verkopplung, Aktor-Redundanz und drei Flugphasen (Schwebeflug, Transition und Flächenflug) gekennzeichnet, was erhebliche Herausforderungen für die Erforschung ihrer Flugregelungsgesetze darstellt. Klassische lineare Regelungsgesetze sind für Quad-Planes weit verbreitet, aber ihre begrenzte Anpassungsfähigkeit kann zu einer verschlechterten Flugleistung führen.

Um die Flugleistung eines Quad-Planes namens Scihunter zu verbessern, zielt diese Arbeit darauf ab, nichtlineare Flugregelungsgesetze für diesen in den drei Flugphasen zu entwerfen. Diese Regelungsgesetze sollen es dem Scihunter ermöglichen, autonom einem vordefinierten Pfad zu folgen und eine stabile und sanfte Transition durchzuführen. Nichtlineare Flugregelungsgesetze, basierend auf inkrementeller nichtlinearer dynamischer Inversion (INDI) und linearen parametervarianten (LPV) Regelungsmethoden, werden in dieser Arbeit vorgeschlagen, weil sie einfach zu entwerfen und leicht zu implementieren sind sowie eine überlegene Regelungsperformanz ermöglichen. Darüber hinaus wird aufgrund der unterschiedlichen Flugcharakteristika in den drei Flugphasen die Methode der strukturvariablen Regelung beim Entwurf der Regelungsgesetze verwendet.

Eine kurze Analyse des mathematischen Modells des Scihunters wird zuerst dargelegt, gefolgt von der vorgeschlagenen kaskadierten Regelungsstruktur, die in eine innere und eine äußere Schleife unterteilt ist. Dann werden Regelungsgesetze basierend auf der INDI-Regelung für jede Regelungsschleife im Schwebeflug und im Flächenflug entworfen. Während des Entwurfs der Regelungsgesetze für die Transition wird eine Erweiterung von INDI, die inkrementelle nichtlineare Stellgrößenallokation, verwendet, um die Aktor-Redundanz zu berücksichtigen und einen reibungslosen Übergang zwischen den Flugphasen zu erreichen.

Anschließend werden Regelungsgesetze basierend auf der LPV-Regelung für die drei Flugphasen vorgestellt. Die Methode der parameterabhängigen Lyapunov-Funktion basierend auf Loopshaping wird verwendet, um das Regelungsgesetz der inneren Schleife zu entwerfen. Um die Ordnung des Reglers zu reduzieren und die Rechenleistung zu verbessern, wird ein Proportional-Integral-Differenzial (PID)-Regler zum Folgen äußerer Befehle verwendet. Angesichts der Überaktuierung des Scihunters wird die Methode der gewichteten kleinsten Quadrate zur Stellgrößenallokation für die Transition eingesetzt, um virtuelle Stellgrößen auf tatsächliche Aktoren zu verteilen und die Anforderungen an die Transition zu erfüllen.

Schließlich werden Simulationen in vier Fällen durchgeführt, um die entworfenen Regelungsgesetze zu bewerten: ein nominaler Fall, ein Fall mit Messrauschen, ein Fall mit Windstörungen und ein Fall mit Parameterunsicherheiten. Als Referenz für den Vergleich wird ein konventionelles Flugregelungsgesetz für Quad-Planes, das mit der PID-Regelungsmethode entworfen wurde, ausgewählt. Die Simulationsergebnisse bestätigen die Verbesserung der Regelgüte, die durch die vorgeschlagenen Regelungsgesetze erreicht wurde.