Modeling, control and fault tolerance of a dual-system VTOL UAV

The dual-system unmanned aerial vehicle (UAV) has become a popular type of hybrid vertical takeoff/landing (VTOL) UAV in recent years because it combines the advantages of both multicopter UAVs (i.e., vertical takeoff and landing capabilities) and fixed-wing UAVs (i.e., higher energy efficiency and long flight ranges). Due to these particular advantages, it has been widely used in many fields, such as rescue operations, logistics and urban air mobility. The investigation of the advanced control methods and the development of the fault-tolerant control (FTC) system are important for improving the safety and reliability of the flight of dual-system UAVs. First, to establish the mathematical model of the dual-system UAV, various modeling activities are carried out. A nonlinear six-degree-of-freedom simulator is built in the Matlab-Simulink environment. Then, the control design for the multicopter mode and fixed-wing mode is performed, respectively, in which a systematic tuning approach and a structure switching-based control strategy are proposed. The designed multicopter and fixed-wing controllers are analyzed in terms of robust stability and performance under the assumed parametric uncertainties. Next, a novel transition flight control method is proposed, which takes into account the aerodynamic coefficient uncertainties resulting from the airspeed variation. The control synthesis resorts to a multi-model approach and the final controller is achieved using the gain scheduling technique. This novel method is compared with the controller blending-based and structured H infinity control schemes. Furthermore, two different FTC methods, i.e., the a posteriori analysis-based FTC method and the gain-scheduled (GS) structured H infinity (SHIF) FTC method, for the dual-system UAV transition flight are studied. In the a posteriori analysis-based FTC method, the synthesized structured H infinity controller is able to tolerate partial loss of a single or two rotors, exhibiting a certain degree of passive fault-tolerant control (PFTC) capability. By combining the structured H infinity controller with the online control allocation, the resulting active fault-tolerant control (AFTC) system is able to handle more complicated fault scenarios than the existing references. In the GS SHIF FTC method, the loss of control effectiveness caused by actuator faults/failures is further introduced into the linearized design models. These parametric uncertainties, together with the aerodynamic coefficient uncertainties caused by the airspeed variation, are represented by multiplicative uncertainty descriptions that are integrated into the control synthesis. The robustness of the resulting controllers is thereby guaranteed. The PFTC performance of the developed system is compared with that of the linear quadratic regulator (LQR) and SHIF methods. The corresponding GS SHIF AFTC scheme is also investigated from the perspective of the effects of fault information delay and error on the system responses. Finally, all the proposed control approaches are validated by nonlinear simulations. The simulation results show the effectiveness and the advantages of the proposed control methods as well as the FTC methods for the dual-system UAV.

Il veicolo aereo senza pilota (UAV) a doppio sistema è diventato un tipo popolare di UAV ibrido a decollo/atterraggio verticale (VTOL) negli ultimi anni, perché combina i vantaggi di entrambi gli UAV multicottero (cioè, capacità di decollo e atterraggio verticale) e UAV ad ala fissa (cioè, maggiore efficienza energetica e lunghe gittate di volo). Grazie a questi particolari vantaggi, è stato ampiamente utilizzato in molti campi, come le operazioni di soccorso, la logistica e la mobilità aerea urbana. Lo studio di metodi di controllo avanzati e lo sviluppo di un sistema di controllo a tolleranza di errore (FTC) sono importanti per migliorare la sicurezza e l'affidabilità del volo degli UAV a doppio sistema. In primo luogo, per stabilire il modello matematico dell'UAV a doppio sistema, sono state eseguite diverse attività di modellazione. È stato costruito un simulatore non lineare a sei gradi di libertà in ambiente Matlab-Simulink. Quindi, viene eseguita la progettazione del controllo per la modalità multicottero e per la modalità ala fissa, rispettivamente, in cui vengono proposti un approccio di regolazione sistematica e una strategia di controllo basata sulla commutazione della struttura. I controllori progettati per il multicottero e per l'ala fissa sono analizzati in termini di stabilità e prestazioni robuste sotto le incertezze parametriche ipotizzate. Viene poi proposto un nuovo metodo di controllo del volo di transizione, che tiene conto delle incertezze del coefficiente aerodinamico derivanti dalla variazione della velocità dell'aria. La sintesi del controllo ricorre a un approccio multi-modello e il controllore finale è ottenuto utilizzando la tecnica di programmazione dei guadagni. Questo nuovo metodo viene confrontato con gli schemi di controllo basati sul blending e sul controllo strutturato H infinity. Inoltre, sono stati studiati due diversi metodi FTC, ovvero il metodo FTC basato sull'analisi a posteriori e il metodo FTC strutturato H infinito (SHIF) a guadagno programmato (GS), per il volo di transizione di un UAV a doppio sistema. Nel metodo FTC basato sull'analisi a posteriori, il controllore strutturato H infinito sintetizzato è in grado di tollerare la perdita parziale di uno o due rotori, mostrando un certo grado di capacità di controllo passivo tollerante ai guasti (PFTC). Combinando il controllore strutturato H infinito con l'allocazione del controllo online, il sistema di controllo attivo a tolleranza di guasto (AFTC) risultante è in grado di gestire scenari di guasto più complessi rispetto ai riferimenti esistenti. Nel metodo GS SHIF FTC, la perdita di efficacia del controllo causata da guasti/errori degli attuatori viene ulteriormente introdotta nei modelli di progettazione linearizzati. Queste incertezze parametriche, insieme alle incertezze del coefficiente aerodinamico causate dalla variazione della velocità dell'aria, sono rappresentate da descrizioni di incertezza moltiplicative che vengono integrate nella sintesi del controllo. In questo modo viene garantita la robustezza dei controllori risultanti. Le prestazioni del sistema PFTC sviluppato sono confrontate con quelle del regolatore lineare quadratico (LQR) e dei metodi SHIF. Il corrispondente schema GS SHIF AFTC viene analizzato anche dal punto di vista degli effetti del ritardo dell'informazione sul guasto e dell'errore sulle risposte del sistema. Infine, tutti gli approcci di controllo proposti sono stati convalidati da simulazioni non lineari. I risultati delle simulazioni mostrano l'efficacia e i vantaggi dei metodi di controllo proposti e dei metodi FTC per l'UAV a doppio sistema.