Longitudinal Moving Mass Actuation of Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicle (UAV)

Abstract

Bevegelig masseforflytting er en kontrollmekanisme som erstatter aerodynamiske kontrollflater, som høyde-, balanse- og sideror for et fly ved å bruke interne mobile masser til å endre tyngdepunktet. Metoden muliggjør et mer beskyttet system som reduserer vindmotstand og tap av løftekraft siden konvensjonelle kontrollflater skaper luftmotstand når de er avbøyd. Kontrollflater kan ikke skape tilstrekkelige kontrollmomenter ved store høyder, siden lufttettheten er lav, samt ved lave hastigheter. Her har bevegelig massestyring et stort potensial på grunn av at det ikke avhenger av disse faktorene. Denne oppgaven presenterer et UAV design med bevegelig massekontroll og en analytisk utledning av de ikke-lineære langsgående bevegelseslikningene. UAVen er designet i SolidWorks, og simuleringene er gjort i MATLAB og Simulink-rammeverket. Designet viser noen designhensyn med bevegelig massekontroll og undersøker hvordan treghetsmomentet endres med hensyn til plassering av den flyttbare massen. Den ikke-lineære modellen er linearisert ved likevektspunter for å kunne ta i bruk lineær kontrollteori. Oppgaven sammenligner henholdsvis to individuelle kontrollmetoder; successive loop closure (SLC) og Linear Quadratic Regulator (LQR). Full kontroll av UAV ble oppnådd med en referanse for stigning/synking og konstant høyde ved en cruisehastighet på 10 m/s for begge kontrollmetodene. LQR kontrolleren hadde bedre stabilitetsegenskaper enn SLC, men SLC er mer robust for stegresponser. 60 gram er den laveste vekten til den bevegelige massen for å kontrollere UAVen.

Moving mass actuation is a control mechanism replacing aerodynamic control surfaces, such as aileron, elevator, and rudder for an airplane by utilizing the motion of internal mobile masses to change the center of gravity. The method allows a more protected system and reduces drag and lift loss since conventional control surfaces create drag when deflected. Control surfaces cannot generate sufficient control moments at high altitudes, due to low air density, and low-speed ranges. Moving mass has great potential because it does not depend on these factors. This thesis presents a UAV design with moving mass control (MMC) and analytic derivation of the non-linear longitudinally equation of motion. The design is carried out in SolidWorks, and simulation is conducted in the MATLAB and Simulink framework. The design presents some design considerations regarding MMC and how the inertia tensor changes depending on the moving mass location. The non-linear model is linearized at trim values enabling the use of linear control theory. The thesis compares two individual control methods; successive loop closure (SLC) and Linear Quadratic Regulator (LQR). Total control of the UAV was achieved for a given ascend/descend and altitude hold reference at a cruise speed of 10 m/s for both control methods. The LQR controller had better stability performance than SLC, but SLC is more robust for step responses. 60 grams is the lowest weight for the moving mass element to control the UAV.