Flight control of hybrid drones towards enabling parcel relay manoeuvres

Abstract

This work addresses the modeling and controlling process of a hybrid UAV, aimed for parcel relay maneuvers. Hybrid UAVs bring big advantages with the capability of flying in two flight modes, rotary and fixed wing. But with them comes added complexity both in modeling and controlling. This work is based on a popular airframe, a tilt tri-rotor UAV, containing all the specific system dynamics such vehicle category provides. The model is then validated by designing two separate controllers for both flight modes, capable of trajectory tracking in eachmode,makinguseofacustomhybridcontrolallocationtechniquethatdifferentiates the control in three parts: vertical, horizontal, and transitional flight modes. Finally, a hybrid controller is proposed, using a finite state machine capable of handling logical events, with the aim to provide control logic to perform autonomous mid flight transitions. All the designs system are simulated using a mathematical framework and a power-full simulation tool.Este trabalho aborda o processo de modelação e controlo de um veículo aéreo não tripulado híbrido com o objetivo de proporcionar manobras de transição de carga. Drones híbridos trazem grandes vantagem com a sua capacidade de voar em dois modos de voo, de asa rotativa e asa fixa. Por outro lado, estas vantagens adicionam complexidade ao sistema dificultando o processo de modulação e controlo. Nestetrabalhoestápresenteummodelodeumdronetrirotortendodoisrotoresmovíveis. Este contém todas as dinâmicas especificas que um sistema deesta categoria de UAV obriga. O modelo é posteriormente validado com dois controladores separados em modo de voo, capazes de proporcionar medidas de seguimento de trajetória em cada modo, usando uma técnica de alocação de controlo personalizada que diferencia o controlo em três partes: vertical, horizontal e de transição. Por fim, é proposto um controlador híbrido contento uma máquina de estados capaz de tratar de eventos lógicos, de modo a proporcionar transições de modo de voo autónomas em pleno voo. Todos os sistemas propostos são devidamente simulados usando ferramentas matemáticas e também poderosos sistemas de simulação