System identification, control, and dynamics analysis of a small-scale compound helicopter

The compound configuration is a good option for helicopters to break speed limitations and improve maneuverability. However, the compound concept applied to a small-scale helicopter has not been investigated in detail. In this study, an innovative small-scale compound helicopter is established by installing ducted fan, wings, and horizontal stabilizer components. The main configurations were tested in automatic flights from hover to 32 m/s forward speed. In order to give an all-around dynamic investigation, first, linear models of hover and forward flight conditions are obtained by the frequency-domain identification method in CIFER software. Then, the PBSIDopt, a time-domain identification method, is applied to analyze the identification problem from a different perspective. Additionally, a PBSIDopt-H∞ method is proposed to structuralize the identified results obtained from the PBSIDopt approach. Meanwhile, an 11-state nonlinear mathematical model is established according to the first physical principles and is modified with the help of the identification results. Further on, with an accurate enough model, a linear transition control strategy was designed and tested in the flight experiments. The controllers are then optimized by the Structured H∞ method. Finally, the key dynamic derivatives and trim results are extracted from the flight responses and the established models to compare with that of various small-scale helicopters and various configurations. Results show that the identified linear models match the flight data in good quality. The established nonlinear model is credible in simulating near-level-attitude conditions below 27 m/s forward speed. The control strategy works well in completing the large-forward-speed compound flight both in simulations and flight experiments. The designed small-scale compound helicopter is successful in unloading 80 % ~ 90 % of the main rotor forces and reducing power consumption. The compound study can be applied to more complete compound platforms and consider more advanced control algorithms to perform better high-speed flight features.

La configurazione composta è una buona risoluzione per gli elicotteri per rompere i limiti di velocità e migliorare la manovrabilità. Tuttavia, non è ancora stato studiato in dettaglio il concetto composto applicato a un elicottero su scala ridotta. In questo studio, viene istituito un piccolo elicottero composto innovativo, installando ventole canalizzate, ali e componenti stabilizzatori orizzontali. Le configurazioni principali sono state testate in voli automatici da hover a 32 m/s di velocità in avanti. Al fine di fornire un'indagine dinamica ed integrale, in primo luogo, i modelli lineari delle condizioni di volo a punto fisso e di volo in avanti sono ottenuti con l’identificazione del dominio di frequenza nel software CIFER. Dopodiché, PBSIDopt, un metodo di identificazione nel dominio del tempo, viene applicato per analizzare il problema di identificazione da una prospettiva diversa. Intanto, viene proposto un metodo PBSIDopt-H∞ per strutturare i risultati identificati ottenuti dall'approccio PBSIDopt. Inoltre, viene stabilito un modello matematico non lineare a 11 stati secondo i primi principi fisici e viene modificato con l'aiuto dei risultati dell'identificazione. Con un modello sufficientemente accurato, una strategia di controllo della transizione lineare è stata progettata e testata negli esperimenti di volo. I controllori vengono quindi ottimizzati con il metodo Structured H∞. Infine, le risposte dinamiche chiave e i risultati dell'assetto vengono estratti dalle risposte di volo e dai modelli stabiliti per confrontarli con quelli di vari elicotteri su scala ridotta e varie configurazioni. I risultati mostrano che i modelli lineari identificati corrispondono ai dati di volo in buona qualità. Il modello non lineare stabilito è credibile nel simulare condizioni di assetto di livello vicino a una velocità di avanzamento inferiore a 27 m/s. La strategia di controllo funziona bene nel completare il volo composto ad alta velocità in avanti sia nelle simulazioni che negli esperimenti di volo. Il nostro elicottero composto su scala ridotta riesce a scaricare l'80% ~ 90% delle forze principali del rotore e a ridurre il consumo di energia. Lo studio composto può essere applicato a piattaforme composte più complete e prendere in considerazione algoritmi di controllo più avanzati per eseguire migliori funzioni di volo ad alta velocità.