尾座式无人机激进飞行的轨迹生成与跟踪控制
机器人学
2023-07-26 v3
摘要
我们解决了尾座式无人机(tail-sitter UAV)轨迹生成与跟踪控制相关的理论与实际问题。在理论上，我们聚焦于微分平坦特性，并充分利用实际无人机气动模型，这为生成动力学可行轨迹和实现高性能跟踪控制奠定了基础。我们发现，通过指定坐标飞行条件并选取飞行器位置作为平坦输出，尾座式无人机在精确气动模型下于整个飞行包线内是微分平坦的。这一基本特性使我们能够在轨迹规划与跟踪控制中充分利用高保真气动模型，以实现精确的尾座式飞行。特别地，我们提出了一种基于优化的尾座式轨迹规划器，用于设计高质量、平滑的轨迹，并考虑了运动动力学约束、无奇异约束与执行器饱和。所规划的平坦输出轨迹在考虑环境风的情况下被实时转换为状态轨迹。为跟踪该状态轨迹，我们开发了一种全局、无奇异且最小参数化的流形上模型预测控制(MPC)，其充分利用精确气动模型以在整个飞行包线内实现高精度轨迹跟踪。所提框架的有效性通过广泛的真实世界实验得到验证，包括室内与室外场地测试：以高达10m/s的速度敏捷完成需特定姿态的连续窄窗SE(3)飞行，以高达20m/s的速度完成典型尾座式机动（过渡、平飞与盘旋），以及以高达2.5g的加速度完成极激进的特技机动（Wingover、Loop、Vertical Eight和Cuban Eight）。
引用
@article{arxiv.2212.11552,
title = {Trajectory Generation and Tracking Control for Aggressive Tail-Sitter Flights},
author = {Guozheng Lu and Yixi Cai and Nan Chen and Fanze Kong and Yunfan Ren and Fu Zhang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2212.11552},
year = {2023}
}