Self-Scheduled Parameter-Varying Control of Asymmetric Variable-Span Morphing Unmanned Aerial Vehicle

Abstract

In this dissertation, a novel framework for flight control of a morphing unmanned aerial vehicle (UAV) is proposed. The proposed method uses asymmetric span morphing for lateral-directional motion control considering the dynamic characteristics of the morphing actuators while exploiting the advantages of symmetric span morphing for longitudinal flight performance enhancement. The proposed control system is self-scheduled based on linear parameter-varying (LPV) methods, which guarantees stability and performance for the variations of the morphing configuration and the flight condition. Therefore, the morphing UAV is allowed to swiftly metamorphose into the optimal configuration to maximize the system-level benefit according to the maneuvering command and the flight condition. First, a high-fidelity nonlinear model of an asymmetric variable-span morphing UAV is obtained from the NASA generic transport model. The impacts of morphing on the center of mass, inertia matrix, and aerodynamic coefficients are modeled based on the asymmetrically damaged wing model. The span variation ratios of the left and right wings are decomposed into symmetric and asymmetric morphing parameters, which are considered as the scheduling parameter and the control input, respectively. The nonlinear model is decoupled and linearized to obtain point-wise linear time-invariant (LTI) models for the longitudinal and lateral-directional motions throughout the grid points over the entire rectangularized scheduling parameter domain. The LPV model of the morphing UAV is derived for the longitudinal and lateral-directional motions by associating the family of LTI models through interpolation. Second, the longitudinal and lateral-directional control augmentation systems are designed based on LPV methods to track the normal acceleration command and the angle of sideslip and the roll rate commands, respectively. The inherent dynamic characteristics of the morphing actuator, such as low bandwidth, are considered in the control design procedure through a frequency-dependent weighting filter. The span morphing strategy to assist the intended maneuver is studied considering the impacts of morphing on various aspects. Numerical simulations are performed to demonstrate the effectiveness of the proposed control scheme for pushover-pullup maneuver and high-g turn. Finally, the longitudinal and lateral-directional autopilots are designed based on LPV methods to track the airspeed and altitude commands and the angle of sideslip and roll angle commands, respectively. A nonlinear guidance law is coupled with the autopilots to enable three-dimensional trajectory tracking. Numerical simulation results for the trajectory-tracking flight show that the proposed controller shows satisfactory performance, while the closed-loop system using the conventional gain-scheduled controller may lose stability when the scheduling parameter varies rapidly or widely.

본 논문에서는 모핑 무인 항공기(unmanned aerial vehicle: UAV)의 비행 제어를 위한 새로운 프레임워크가 제안된다. 제안된 기법은 모핑 구동기의 동적 특성을 고려한 횡방향축(lateral-directional) 운동 제어를 위해 비대칭 스팬 모핑을 사용하고 종축(longitudinal) 비행 성능 향상을 위해 대칭 스팬 모핑의 이점을 활용한다. 또한 설계된 제어 시스템은 선형 파라미터 가변(linear parameter-varying: LPV) 기법을 기반으로 제어기 이득이 자체적으로 스케줄링 되며 모핑 형상 및 비행 조건의 임의의 변화에 대해 안정성과 성능을 엄밀하게 보장한다. 따라서 모핑 UAV는 기동 명령과 비행 조건에 따라 안정성을 상실할 우려 없이 시스템 수준의 이점을 극대화하는 동시에 내부 루프 안정화를 위한 제어에 기여하도록 최적의 형상으로 신속하게 변형될 수 있다. 첫째, NASA GTM(generic transport model)으로부터 비대칭 가변 스팬 모핑 UAV의 고충실도(high-fidelity) 비선형 모델이 획득된다. 모핑이 질량 중심, 관성 행렬 및 공기역학 계수에 미치는 영향은 날개가 비대칭적으로 손상된 모델을 기반으로 도출된다. 좌우 날개의 스팬 변화율은 대칭 및 비대칭 모핑 파라미터로 분해되며, 두 모핑 파라미터는 각각 스케줄링 파라미터 및 제어 입력으로 간주된다. 비선형 모델을 종축 및 횡방향축 운동으로 분리하고 직사각형 형태의 스케줄링 파라미터 영역의 각 격자점에서 선형화함으로써 각 점에 대한 선형 시불변(linear time-invariant: LTI) 모델이 얻어진다. LTI 모델 집합에 보간(interpolation)을 적용하면 종축 및 횡방향축 운동에 대한 모핑 UAV의 LPV 모델이 얻어진다. 둘째, 수직 가속도(normal acceleration) 명령과 옆미끄럼각(angle of sideslip) 및 롤 각속도 명령 추종을 위해 LPV 기법을 기반으로 종축 및 횡방향축 제어 증강 시스템(control augmentation system)이 설계된다. 이때, 제어 설계 과정에서 주파수종속(frequency-dependent) 가중치 필터를 통해 낮은 대역폭(bandwidth)과 같은 모핑 구동기 고유의 동적 특성이 고려된다. 또한 비행 특성에 대한 모핑의 다양한 영향을 고려하여 실행하고자 하는 기동을 보조하기 위한 스팬 모핑 전략이 논의된다. Pushover-pullup 기동 및 high-g turn에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 기법이 타당함을 확인할 수 있다. 마지막으로, 대기속도(airspeed) 및 고도 명령과 옆미끄럼각 및 롤 각 명령을 추종하기 위해 LPV 기법을 기반으로 종축 및 횡방향축 자동 조종 장치(autopilot)가 설계된다. 이때, 3차원 경로 추종을 위해 비선형 유도 법칙이 자동 조종 장치와 결합된다. 경로 추종 비행에 대한 수치 시뮬레이션 결과를 통해 스케줄링 파라미터의 변화 속도가 빠르거나 변화의 폭이 넓은 경우 일반적인 이득스케줄 제어기는 안정성을 상실할 수 있는 반면 제안된 기법은 만족할 만한 성능을 유지함을 확인할 수 있다.