Inner Loop Adaptive Control of Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicles in Icing Conditions

Abstract

Motivert av økende bruk av små ubemannede luftfartøy utforsker denne oppgaven bruken av MRAC (model reference adaptive control), en type adaptiv regulator, og sammenligner det mot konvensjonelle PID-regulatorer. Begge regulatorene ble utviklet for bruk av det ubemannede luftfartøyet Skywalker X8 under værforhold med isning, det inkluderer asymmetrisk ising på vingene og redusert effektivitet i styreflatene som følge av ising. MRAC-regulatoren er gitt ved en lineær modell med biasledd for å fange opp effekten av umodellert dynamikk, og adapsjonsloven benytter projeksjon for økt robusthet.

Ytelsen til regulatorene er testet under ulike forhold, og resultatene viser at MRAC-regulatoren håndterer en reduksjon i lufthastighet bedre, mens PID-regulatoren er mindre påvirket av vindforstyrrelser. Begge regulatorene har dårligst ytelse når isningsnivået er svært asymmetrisk. Dette er også tilfellet under banefølging med asymmetrisk ising og vindforhold hvor vinden består av et konstant vindbidrag med stokastiske vindkast. I resultatene demonstrerer MRAC-regulatoren og PID-regulatoren lignende egenskaper til å følge tidsvarierende referanser.

Numerisk fluiddynamikk muliggjorde simuleringer som utforsket hvordan styreflatenes effektivitet påvirkes av nivået av isning. Resultatene viser at MRAC-regulatoren er mindre påvirket av redusert effektivitet i styreflatene for rull-referanser enn PID-regulatoren, mens det motsatte er tilfellet for stamp-referanser.

Ved å undersøke biasleddene for MRAC-regulatoren finner resultatene at disse reflekterer isningsnivået på luftfartøyet dersom adapsjonsraten for disse settes lavt nok. Integral-leddet i PID-regulatoren for rull klarer til en viss grad å fange opp den samme effekten. MRAC-regulatoren er mer kompleks enn PID-regulatoren, men gir muligheten for videre forskning med systemidentifikasjon og potensialet for isningsdeteksjon.

Motivated by the ever-increasing use of small unmanned aerial vehicles (UAVs), this thesis compares a model reference adaptive controller (MRAC) with PID controllers. Both are developed for the Skywalker X8 fixed-wing UAV operating in icing conditions, encompassing asymmetric icing on the wings and reduced control effectiveness. The MRAC scheme is given by a linear model with a bias term to capture unmodeled effects and modified with the projection operator to increase robustness.

The controllers' performance is tested under several conditions and the results show that the MRAC control scheme handles a reduction in airspeed better, whereas the PID controller proved less affected by wind gust disturbances. Overall, both controllers exhibit the most difficulty when the icing level is severely asymmetric. This is also the case when given a path following case, executed with an icing sequence with asymmetry and a steady wind component with wind gust disturbances. The findings in this thesis show that the MRAC control scheme and the PID controller demonstrate similar qualities with respect to tracking performance.

Computational fluid dynamics analysis allowed for a simulation exploring the reduced control surface effectiveness due to icing. The results show that the MRAC controller is less affected by the reduction in control surface efficiency than the PID control scheme with a square reference angle in roll, while the opposite is true with a square reference angle in pitch.

Examining the bias and integral terms of the adaptive controller and PID controller, respectively, shows that the bias terms and to some degree the roll integral term can detect icing. The MRAC control scheme is of greater complexity, however it provides the future exploration of system identification with the potential of icing level estimation.