Path following control of a fixed wing UAV based on desired accelerations

Abstract

In dieser Arbeit wird der Entwurf eines Pfadfolgereglers für ein Flächenflugzeug durchgeführt. Ein neuartiger Ansatz ergibt sich durch den Einsatz von Beschleunigungsreglern, anstelle von Orientierungsreglern, im inneren Regelkreis. Ein innovatives Regelungskonzept für die vertikale Beschleunigung ermöglicht es, die Bandbreite des besagten Reglers mehr als zu verdoppeln. Durch das Miteinbeziehen von dynamischer Landeklappenaktuierung kann der Auftrieb, und dadurch die vertikale Beschleunigung, schneller verändert werden, als durch eine Drehung des gesamten Flugzeugs mittels des Höhenruders. Somit wird der Landeklappenausschlag als primäre Stellgröße verwendet. Das Höhenruder wird eingesetzt, um die Flügel in ihrem Arbeitsbereich zu halten und einen Ausschlag der Landeklappen wieder in die neutrale Position zurückzuführen. Der Entwurf des Pfadfolgereglers basiert auf einer Reduktion des Zustandsraummodells des Flugzeugs, welches als Starrkörper modelliert ist, auf die translatorischen Freiheitsgrade. Für Linienflugzeuge wird ein kinetisches Modell hergeleitet, welches auf geregelten Kräften basiert. Ein kinematisches Modell, welches auf geregelten Beschleunigungen basiert, eignet sich für unbemannte Luftfahrzeuge. Die gesamte Pfadfolgeregelung wird an einem Modellflugzeug implementiert und mittels Testflügen validiert. Die Ergebnisse der Testflüge zeigen, dass die gesetzten Ziele in vollem Umfang erfüllt werden. Durch die Vorsteuerung der Beschleunigungen, die im nominellen, ungestörten Fall notwendig sind, um die räumlichen Bedingungen des Pfades zu erfüllen, kann auch für hohe Pfaddynamiken eine geringe Pfadabweichung gewährleistet werden. Durch die Antizipation der zukünftig notwendigen Beschleunigung kann die Zeitverzögerung durch das Einschwingen des inneren Regelkreises teilweise kompensiert werden. Hervorragende Turbulenzunterdrückung wird durch den Übergang zu Beschleunigungsreglern erreicht, da Störungen bereits ausgeglichen werden, bevor Pfadfehler entstehen. Für Pfadfolgeregelung verbleibt die Bewegung entlang des Pfades als Freiheitsgrad des Systems. Daher werden verschiedene Möglichkeiten des Betriebs entwickelt und mittels Testflügen validiert. Das Berücksichtigen der Einflüsse unterschiedlicher Fluggeschwindigkeiten und weiterer Systemrestriktionen ermöglicht einen umfassend stabilen Flugbetrieb.

In this thesis, a path following control (PFC) concept for a fixed wing aircraft is designed. A novel approach is introduced by considering inner loop controllers based on desired accelerations instead of desired orientations. The developed control concept for the vertical acceleration allows to more than double the controller's bandwidth compared to classical approaches. By using dynamic flap actuation, the lift, and therefore vertical acceleration, can be manipulated more quickly than by rotating the whole aircraft by means of the elevator. Thus, in the proposed concept, flap deflection is used as primary control input, and the elevator serves for maintaining the wings in their operational range and returning the flaps to their neutral position. The development of the PFC concept is facilitated by reducing the full state space model of the rigid body dynamics of an aircraft to the translational states. A kinetic model, which is based on controllable forces, is applicable for airliners. A kinematic model based on controllable accelerations is found to be suitable for unmanned aerial vehicles (UAV). The overall concept is implemented on a fixed wing model aircraft for validation. During test flights the performance of the set-up is assessed and found to fulfill the envisaged objectives to its full extent. By feedforward of the accelerations, which are necessary in the nominal, undisturbed case to satisfy the spatial restrictions defined by the path, a high accuracy is achieved even for high path dynamics. By anticipation of the upcoming required path acceleration, the settling time of the subordinate acceleration control is partially compensated. Superior turbulence suppression is obtained by the acceleration control, since disturbances are compensated before path errors occur. As for PFC one degree of freedom remains, namely the motion along the path, different operation modes are developed, implemented, and validated by means of test flights. By investigating the influence of different flight speeds and system restrictions, a consistently stable performance for a wide range of operation can be confirmed.