低空经济大发展背景下VTOL飞行器研究进展

随着人类交通活动不断丰富,地面空间日趋饱和,有限地面交通资源与不断膨胀的交通需求之间矛盾激化,亟须发展低空立体交通,伴随低空立体交通的发展,低空经济成了热词。低空经济与通航产业发展密切相关,以固定翼 VTOL飞行器为运载工具的短途运输成为通用航空研究热点。由于固定翼 VTOL飞行器具有空中悬停、垂直起降、操作灵活,绿色经济,对起降终端依赖小等优点,近年来成为低空经济领域的主力军。本文阐述了国家支持通航发展的政策,从多个角度分析低空经济,对目前较热的 VTOL 飞行器研发公司和品牌展开概述,最后对低空经济大发展背景下 VTOL 飞行器的研究方向进行展望。

China’s Reusable Carrier Rocket Completes First 10 km VTOL Test

On June 23,2024,China completed the first 10 km-level VTOL flight test of the reusable launch vehicle at Jiuquan Satellite Launch Center,and the test mission was a complete success.This is the largest-scale VTOL flight test of a reusable launch vehicle in China at present,and is also the first application of the deep variable thrust liquid oxygen/methane engine independently developed by China in the 10 km-level return flight,laying a solid technical foundation for achieving the maiden flight of a 4 m-level reusable launch vehicle as scheduled in 2025.

电动VTOL飞行器双目立体视觉导航方法

研究了在未知的、动态的室内走廊环境中,采用双目立体视觉引导电动VTOL(Vertical Take-Off and Landing)飞行器安全飞行的方法.使用安装在飞机上的两个微型摄像头从不同的位置获取图像,由双目立体视觉理论恢复其周围环境特征点的三维坐标.采用角点匹配方法计算视差,实现无人机在走廊中的横向坐标定位.采用区域灰度相关算法进行立体匹配获取视差图,从视差图上检测出障碍物,并给出避障导航点.初步实验验证表明,该方法可行性较高,可以作为进一步研究的基础.

欠驱动VTOL空间飞行器系统的非线性跟踪控制

研究了欠驱动VTOL(垂直上升和垂直着陆)空间飞行器在各种输入耦合时的非线性跟踪控制问题。VTOL空间飞行器是具有三个自由度,两个控制输入的欠驱动系统。首先,通过控制输入和坐标变换,系统的动力学方程被变换成二阶链式形式。其次,利用后推法(backstepping)的思想推导出保证系统渐近收敛于给定轨迹的时变反馈控制规律。该方法将系统分解为低阶子系统来处理,利用中间虚拟控制变量和部分Lyapunov函数简化了控制器的设计。仿真结果证明了所设计控制器的有效性。

有输入饱和的欠驱动VTOL飞行器滑模控制

垂直起降飞行器(vertical take-off and landing,VTOL)是典型的非线性、欠驱动系统,实际工程中VTOL飞行器的执行机构通常有饱和特性,针对这种模型的特点,对原始数学模型进行了解耦坐标变换,通过可逆坐标变换化成一个最小相位系统和一个非最小相位系统,之后采用滑模设计方法设计控制器。为了解决执行机构的饱和问题,将超出饱和受限的部分回馈到控制器中,构造一个赫尔伍兹稳定的辅助线性系统,然后把它加入到滑模控制器之中,在控制器中做补偿。利用李雅普诺夫函数证明了系统的稳定性。仿真结果表明,此方法可有效地解决输入受限的VTOL飞行器的镇定和轨迹跟踪问题。

基于自适应浸入与不变的VTOL飞行器跟踪控制

针对输入存在不确定干扰的垂直起降(VTOL)飞行器的跟踪控制问题,提出了一种基于自适应系统浸入与不变(I&I)的控制方案:对于不确定性输入干扰,采用自适应I&I方法对于扰进行实时估计补偿;为便于控制器设计,采用系统分解技术将原系统解耦成一个最小相位误差子系统和一个非最小相位子系统,将原系统的输出跟踪问题转换为两个误差子系统的镇定问题。基于自适应I&I估计律和滑模变结构控制方法分别设计了两个子系统的控制器,所设计的控制器能够保证两个闭环子系统指数稳定。仿真结果表明,上述控制方案在干扰估计精度和收敛速度方面明显优于传统自适应估计方法,能够实现飞行器对给定轨迹的准确跟踪,同时抑制输入干扰对系统性能的不良影响。

基于分层滑模控制的VTOL飞行器轨迹跟踪

针对VTOL飞行器的轨迹跟踪和稳定性问题,在考虑输入耦合前提下,提出了一种分层滑模控制方案。首先,将整个系统分成两个子系统,分别设计两个子系统的滑模面;然后利用其中一个子系统滑模量来构造中间变量,进而构造出整个系统总的滑模面;再利用等效控制法求取系统在该滑模面上的等效控制量,采用李雅普诺夫方法设计了系统的切换控制量,从而获得系统总的控制量。该控制器能够保证各个滑模面的稳定性和误差闭环系统的全局渐近稳定性。最后的仿真结果表明了该方法的有效性和可行性。

基于非线性干扰观测器的VTOL飞行器跟踪控制

研究了输入存在不确定干扰的垂直起降(VTOL)飞行器的跟踪控制问题,提出了一种基于非线性干扰观测器对干扰进行实时估计的控制方案。为便于控制器设计,采用坐标变换和输入变换将原系统解耦成一个最小相位误差子系统和一个非最小相位误差子系统,将原系统的输出跟踪问题转换为两个子系统的镇定问题。为使所设计的控制器能够保证两个闭环子系统指数稳定,基于非线性干扰观测器,采用滑模变结构控制和最优控制,对两个子系统分别设计了控制器。仿真结果表明,所设计的控制器在输入干扰作用下能保证跟踪控制的稳定性,对干扰具有良好的鲁棒性。

基于非线性速度观测器的欠驱动VTOL滑模控制

针对具有外界输入干扰的欠驱动垂直起降飞行器(VTOL)模型,在无速度传感器或者速度传感器失效的情形下,提出一种新的基于非线性速度观测器的欠驱动VTOL滑模控制方法。首先,在考虑存在输入干扰向量的情况下,推导得到基于加速度扰动向量的垂直起降系统的一般形式,基于此形式采用非线性速度观测器估计系统未知状态。然后,对VTOL飞行器模型进行了四次解耦变换,将包含扰动信息的VTOL模型变换成一类欠驱动系统的标准模型,并设计滑模控制器。理论分析和仿真表明,上述方法能降低对系统状态的测量要求,简化控制系统的设计过程,并保证VTOL飞行器能够快速跟踪预定轨迹,且对输入干扰的不确定性具有鲁棒性。

VTOL飞行器有限时间轨迹跟踪控制

针对VTOL飞行器的轨迹跟踪控制问题,提出一种基于有限时间控制的控制方案。鉴于VTOL飞行器系统是强耦合的非线性系统,首先采用系统分解技术将原系统解耦成两个子系统,将原系统的输出跟踪问题转化为两个子系统的镇定问题。对于解耦后的系统,设计了有限时间控制律,所设计的控制器能够保证闭环系统有限时间稳定,克服了传统有限时间控制的弊端。仿真结果表明了所提出的控制方法具有良好的跟踪性能,能够实现飞行器对给定参考轨迹的快速、准确跟踪。

VTOL飞行器有限时间输出反馈跟踪控制

针对垂直起降(VTOL)飞行器的轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于有限时间控制的输出反馈控制方案。首先,采用系统分解技术将原系统解耦成两个子系统,将原系统的输迹跟踪问题转化为两个子系统的镇定问题。对解耦后的系统,设计了有限时间状态反馈控制律,所设计的控制器能够保证闭环系统有限时间稳定。然后,考虑部分状态不可测量情况下的VTOL飞行器轨迹跟踪控制问题,设计了一个有限时间快速收敛观测器,基于有限时间快速收敛观测器提出了有限时间输出反馈控制律。仿真结果表明,所提出的控制方法具有良好的跟踪性能,能够实现飞行器对给定参考轨迹的快速、准确跟踪。

基于有限时间观测器的VTOL飞行器跟踪控制

针对垂直起降(VTOL)飞行器的轨迹跟踪控制问题,本文提出了一种基于有限时间控制的输出反馈控制方案。采用系统分解技术将原系统解耦成2个子系统,将原系统的输出轨迹跟踪问题转化为2个子系统的镇定问题。对解耦后的系统,利用滑模控制方法设计了一种状态反馈控制律,所设计的控制器能够保证闭环系统有限时间稳定。考虑部分状态不可测量情况下的VTOL飞行器轨迹跟踪控制问题,提出了一个有限时间快速收敛观测器,基于有限时间快速收敛观测器提出了有限时间输出反馈控制律。仿真结果表明,所提出的控制方法具有良好的跟踪性能,能够实现飞行器对给定参考轨迹的快速、准确跟踪。

基于VTOL飞行器的滑模控制器设计

垂直起降(Vertical takeoff and landing,VTOL)飞行器是具有3个自由度、2个控制输入的非线性欠驱动控制系统,为了解决严重耦合的VTOL欠驱动系统的输出跟踪问题,首先将VTOL动力学模型解耦成一个最小相位系统和一个非最小相位系统,然后分别针对这两个解耦子系统设计滑模控制器,并通过Lyapunov理论证明系统的稳定性,最后仿真结果表明所设计的滑模控制器实现了对轨迹的无稳态误差跟踪,具有较好的鲁棒性,能够为此类欠驱动系统的输出跟踪问题提供设计参考。

基于图像的VTOL飞行器视觉伺服控制

针对垂直起降(VTOL)飞行器的定点降落控制问题,本文提出一种基于图像的视觉伺服控制方法。对于VTOL飞行器视觉伺服控制系统,利用机载摄像头采集图像信息,将反步法与滑模控制技术相结合,设计了视觉伺服控制器。由于该方法采用的视觉模型中包含与深度无关的图像雅克比矩阵,从而避免了特征点深度的测量与估计。利用李雅普诺夫理论证明了在控制器的作用下,VTOL飞行器视觉伺服系统渐近稳定;同时保证图像误差渐近收敛为零,飞行器最终到达期望降落位置。最后的仿真结果表明了所提出的控制方法实际有效。

Retarded Harrier Maneuver as a New and Efficient Approach for Fixed-Wing Aircraft to Achieve S/VTOL

Modern day VTOL fixed-wing aircraft based on quadplane design is relatively simple and reliable due to lack of complex mechanical components compared to tilt-wings or tilt-rotors in the pre-80’s era. Radio-controlled aerobatic airplanes have thrust-to-weight ratio of greater than unity and are capable of performing a range of impressive maneuvers including the so-called harrier maneuver. We hereby present a new maneuver known as the retarded harrier that is applicable to un/manned fixed-wing aircraft for achieving VTOL flight with a better forward flight performance than a quadplane in terms of weight, speed and esthetics. An airplane with tandem roto-stabilizers is also presented as an efficient airframe to achieve VTOL via retarded harrier maneuver, and detailed analysis is given for hovering at 45° and 60° and comparison is made against the widely adopted quadplane. This work also includes experimental demonstration of retarded harrier maneuver using a small remotely pilot airplane of wingspan 650 mm.

VTOL直升机的鲁棒非脆弱H_∞控制

针对含有飞行时滞的垂直起飞着陆(VTOL)直升机系统,基于Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式(LMI)方法,设计了考虑加性控制器增益摄动的时滞相关鲁棒非脆弱H∞控制器。利用描述系统变换,得到了状态反馈鲁棒非脆弱H∞控制器存在的充分条件。在无控制增益摄动的情形下,该控制器能够允许更大的飞行时滞。引入凸优化算法,求解使闭环系统渐近稳定且干扰抑制水平最小的最优控制器参数。仿真结果表明所设计的控制器具有良好鲁棒性和非脆弱性。

基于PX4的复合式VTOL无人机总能量控制系统的研究

本文以PX4飞控系统为基础,针对复合式VTOL无人机在固定翼模式下高度/速度的耦合问题,将总能量控制引入了复合式VTOL无人机的控制系统中。对于总能量控制核心算法进行了推导并设计了符合PX4飞控代码习惯的总能量控制模块,通过Gazebo仿真软件进行硬件在环仿真验证了总能量控制模块对复合式VTOL无人机速度控制和高度控制的解耦有良好的效果。

Technical Analysis of VTOL UAV

Overall, this paper explains the related information about VTOL and trend of this technology worldwide. Also, it comes up with the distinction among VTOL and helicopter and fixed wing aircraft. This paper concentrates on domestic and international drones that utilize VTOL technology. Also, this paper gives the explanation about VTOL’s performance and object. Furthermore, this paper predicts the future of VTOL and which area this technology going to be used.

Analysis of VTOL UAV Propellant Technology

Recently, the surge in the interests in unmanned aerial vehicles has soared dra-matically worldwide due to many potential benefits foreseen by this technology. The most widespread use of the commercial drones is a multi-copter form of unmanned aerial vehicle, because of its vertical takeoff and landing (VTOL) capability. However, due to the structural characteristics, it has a disadvantage that the flight time is quite short, which is typically ranging between 15 to 30 minutes. The fixed wing type of unmanned aerial vehicles has a longer flight time and duration, but it is not easy to secure a safe landing space, especially in the city areas. For this reason, demand for vertical fixed take-off and landing aircraft is rapidly increasing throughout the world. This study analyzes the trends and recent development of global VTOL technology and provides a direction into which the current state of the technology should be heading. By comparing the advantage and disadvantage of various VTOP propulsion types, we can clearly identify the most effective form of VTOL propulsion types. Such analysis will be highly beneficial to the drone researchers and scientists in terms of future development.

Radio Controlled “3D Aerobatic Airplanes” as Basis for Fixed-Wing UAVs with VTOL Capability

There are fundamental performance compromises between rotary-wing and fixed-wing UAVs. The general solution to address this well-known problem is the design of a platform with some degree of reconfigurable airframes. For critical missions (civilian or military), it is imperative that mechanical complexity is kept to a minimum to help achieve mission success. This work proposes that the tried-and-true radio controlled (RC) aerobatic airplanes can be implemented as basis for fixed-wing UAVs having both speed and vertical takeoff and landing (VTOL) capabilities. These powerful and highly maneuverable airplanes have non-rotatable nacelles, yet capable of deep stall maneuvers. The power requirements for VTOL and level flight of an aerobatic RC airplane are evaluated and they are compared to those of a RC helicopter of similar flying weight. This work provides quantitative validation that commercially available RC aerobatic airplanes can serve as platform to build VTOL capable fixed-wing UAVs that are agile, cost effective, reliable and easy maintenance.