Motion Control for Over-Actuated, Non-Affine Aerial Vehicles

Remotely piloted aircraft systems (RPASs) have turned out to be an indispensable asset for disaster relief forces. The fact that they possess the abilities to offer a fast scenario overview and to transport vital supplies makes them even more crucial. RPASs with hybrid capabilities are particularly relevant in such instances as they combine the advantages of multicopters and fixed-wing aircraft. They can take off and land vertically, meaning they only require only a small landing area. Their capability for aerodynamic flight makes them much more efficient, enabling long operational airborne time and range. However, this type of airframe is not easy to operate because a large set of actuators must be controlled along with the need to control unstable configurations (mainly during transitioning into forward flight).

This study aimed to propose a comprehensive motion control algorithm to resolve the problem of controlling over-actuated, non-affine aerial vehicles. This is exemplified in an application for a tiltrotor aircraft structure. This type of airframe presents nonaffinity in its nacelle control input. The suggested control law is based on the implicit function theorem allowing the integration of the complete set of actuators (motors, control surfaces, and tilting nacelles) into a single-controller structure. With this incorporation, the controller can be seamlessly accommodated into a larger control scheme. In addition, the controller has deterministic properties through the derivation of the control law using the implicit function theorem, although it is fully transparent in its mechanization. These properties are relevant for certification.

The methodology involved exploring the use of implicit functions on a general mathematical level and extending the existing theory to be used in over-actuated, non-affine aerial vehicles. The existence of such a comprehensive controller was first proven, and later, an implementation was proposed. The feasibility of the proposed control law was evaluated using a hardware-in-the-loop simulation. In this evaluation, the benefits of the control law (based on implicit functions) were compared with a state-of-the-art variable structure controller.

Ferngesteuerte Luftfahrtsysteme (RPAS Remotely Piloted Aircraft Systems) haben sich als unentbehrliches Hilfsmittel beim Katastrophenschutz erwiesen. Die Fähigkeit, schnell eine Lageübersicht zu ermöglichen und lebenswichtige Güter zu befördern, macht sie unverzichtbar. Hybride RPAS sind in diesem Zusammenhang besonders relevant, da sie auch ohne Landebahn senkrecht abheben und landen können. Außerdem können sie aerodynamisch fliegen, was ihre Flugdauer und Reichweite erhöht. Derartige Flugkörper sind jedoch nicht einfach zu bedienen, da dies die Steuerung einer Vielzahl von Aktoren sowie die Beherrschung von instabilen Flugkonfigurationen erfordert (hauptsächlich beim Übergang zum Horizontalflug).

In dieser Arbeit wird ein umfassender Bewegungsregelalgorithmus vorgeschlagen, um das Problem der Steuerung von überaktuierten, nicht eingangslinearen Luftfahrzeugen zu lösen. Als Beispiel dient eine Fluggerätstruktur mit Schwenkrotor. Dieses Fluggerät ist nicht eingangslinear in der Steuerung der Schwenkrotoren. Das vorgeschlagene Regelgesetz basiert auf dem Satz von der impliziten Funktion, der das Integrieren aller Aktoren (Motoren, Steuerflächen und kippbare Triebwerksgondeln) in eine Struktur mit einem einzigen Regler ermöglicht. Derart zusammengefasst kann der Regler problemlos in einen größeren Regelkreis eingebunden werden. Durch die Ableitung des Regelgesetzes anhand des Satzes von der impliziten Funktion weist der Regler außerdem deterministische Eigenschaften auf, seine Realisierung ist jedoch vollkommen transparent. Diese Eigenschaften sind für die Zertifizierung von großer Bedeutung.

Die Methodik umfasst die Untersuchung einer möglichen Verwendung von impliziten Funktionen auf einer allgemeinen, mathematischen Ebene und die Übertragung der bestehenden Theorie auf überaktuierte, nicht eingangslineare Luftfahrzeuge. Zunächst wird die Existenz eines derartigen umfassenden Reglers bewiesen. Anschließend wird eine Umsetzung vorgeschlagen. Die Realisierbarkeit des vorgeschlagenen Regelgesetzes wird mittels einer Hardware-in-der-Loop-Simulation evaluiert. Bei dieser Evaluation werden die Vorteile des (auf impliziten Funktionen basierenden) Regelgesetzes mit einer modernen, strukturvariablen Regelung verglichen.