A Constrained Robust Switching MPC Structure for Tilt-Rotor UAVs Trajectory Tracking Problem
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Notice bibliographique
Résumé
Abstract In tilt-rotor UAVs, both the fuselage and tilting rotors contribute to the vehicle's rotational motion. Consequently, the system's dynamics rise to a highly-nonlinear system, making it challenging to find feasible and desired control solutions. The common control practices devise a logic-based controller to switch between different flight modes or map the control inputs to the conventional helicopter-type control inputs. However, they fail to provide energy-efficient fast trajectory tracking, especially in the presence of external disturbances. This paper proposes a general-model dynamic formulation and a two-layered constrained Model Predictive Control (MPC) strategy to tackle the trajectory tracking problem for tilt-rotor UAVs. After splitting the vehicle's dynamics into translational and rotational parts, a constrained Linear MPC (LMPC) is designed for the translational dynamic to follow a reference trajectory. We formulate the LMPC as a Quadratically-Constrained Quadratic Problem (QCQP) that leads to a feasible set-point solution for the rotational control layer without violating the physical constraints. Also, an optimizer is designed to generate a thrust vector, which leverages the vehicle's full potential via a continuous transition between the rotation in the fuselage and that in tilting rotors. In the second layer, the nonlinear rotational dynamics are approximated via piecewise affine (PWA) subsystems. A constrained Robust Switching MPC (RSMPC) is then designed to follow the first layer's generated trajectories (Euler angles and the thrust vectors) while preserving the system's stability, feasibility, and robustness in the presence of external disturbances. Furthermore, by providing an augmented dynamic model, this control design would allow for directly incorporating actuator constraints into the problem formulation. We demonstrate the controller's performance and effectiveness via simulations.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,002 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,004 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
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