Guidance for a fixed-wing UAV under large environmental forces

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker styrelover for fastvingede ubemannede luftfartøy (UAVer). Forskningen har betydning for bruksområder som flyfotografering, fjernmåling og miljøovervåking, hvor UAVer ofte møter store ytre påvirkninger. Hovedfokuset er synslinjestyreloven (LOS), anvendt på UAVer ved bruk av den koordinerte svingrelasjonen.

Forskjellige varianter av styreloven inspirert av koordinert sving blir testet gjennom simuleringer med kraftig vind, turbulens og vindkast. Styreloven ble utledet med ikke-null angrepsvinkel (AOA) og sideslipvinkel (SSA) for å undersøke de underliggende antakelsene i den koordinerte svingrelasjonen, som viste seg å være gyldig i de fleste tilfeller. Robustheten til styreloven ble vurdert basert på avvik i AOA, SSA, helning og heading. Simuleringsresultatene indikerte at inkludering av flere estimater og aerodynamikk i styresystemet ikke forbedret ytelsen vesentlig, siden estimatene var for det meste små og påvirket ikke ytelsen nevneverdig. Tvert imot var det en potensiell risiko for forringelse av ytelsen på grunn av unøyaktige estimater. Likevel viste flyet evnen til å følge den ønskede banen med noe avvik.

En matematisk analyse ble utført for å utforske integrale synslinjemetoder inspirert av koordinerte svinger. Analysen avslørte uniform global asymptotisk stabilitet (UGAS) og uniform lokal eksponensiell stabilitet (ULES), noe som resulterer i global κ-eksponentiell stabilitet. Disse teknikkene ble videre testet gjennom simuleringer sammen med andre integrale synslinjevarianter. Resultatene viste at de effektivt eliminerte steady-state-feil, men førte også til økt overskytelse. Valget av integrale forsterkningen ble ansett som avgjørende, spesielt når veksten i integraltilstanden ikke var skalert.

Til slutt ble det foretatt en sammenligning mellom styreloven inspirert av koordinerte svinger og den populære L1 styreloven. Ytelsen til disse styrelovene viste seg å være ganske lik, med bare noe mer overskytelse observert i visse situasjoner for L1-styreloven. Imidlertid ble L1 ansett som et mer robust valg, da den er avhengig av færre estimater.

This master’s thesis investigates guidance laws for fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). The research has importance for applications such as aerial surveys, remote sensing, and environmental monitoring, where UAVs often encounter large environmental forces. The main focus is the Line-of-sight (LOS) guidance law, applied to UAVs using the coordinated-turn relation.

Different variations of the coordinated-turn-inspired guidance law are tested in simulations with strong winds, turbulence, and gust. The guidance law was derived by considering non-zero Angle of Attack (AOA) and sideslip (SSA) to examine the underlying assumptions of the coordinated turn relationship, which were shown to be valid in most cases. The robustness of the guidance law was evaluated by adding bias to the AOA, SSA, pitch, and heading angle estimates. The simulation results indicated that incorporating additional estimates and aerodynamics into the guidance system did not significantly improve performance, as the estimates were mostly small and had little impact. Conversely, there was a potential risk of degrading performance due to inaccurate estimates. Nonetheless, the aircraft demonstrated the ability to follow the desired path with some bias.

A mathematical analysis is performed to explore the integral LOS inspired by coordinated turn. The analysis revealed uniform global asymptotic stability (UGAS) and uniform local exponential stability (ULES) properties, resulting in global κexponential stability. These techniques were further tested in simulations alongside other integral LOS variations. The results demonstrated that while they effectively eliminated steady-state errors, they also led to increased overshoot. The selection of the integral gain was considered crucial, particularly when the growth of the integral state was not appropriately scaled.

Ultimately, a comparison was made between the coordinated-turn-inspired LOS guidance laws and the popular state-of-the-art L1 guidance law. The performance of these approaches was found to be quite similar, with only slightly more overshoot observed in certain situations for the L1 guidance law. However, the L1 guidance law was deemed a more robust choice as it relies on fewer estimates.