We address the theoretical and practical problems related to the trajectory generation and tracking control of tail-sitter UAVs. Theoretically, we focus on the differential flatness property with full exploitation of actual UAV aerodynamic models, which lays a foundation for generating dynamically feasible trajectory and achieving high-performance tracking control. We have found that a tail-sitter is differentially flat with accurate aerodynamic models within the entire flight envelope, by specifying coordinate flight condition and choosing the vehicle position as the flat output. This fundamental property allows us to fully exploit the high-fidelity aerodynamic models in the trajectory planning and tracking control to achieve accurate tail-sitter flights. Particularly, an optimization-based trajectory planner for tail-sitters is proposed to design high-quality, smooth trajectories with consideration of kinodynamic constraints, singularity-free constraints and actuator saturation. The planned trajectory of flat output is transformed to state trajectory in real-time with consideration of wind in environments. To track the state trajectory, a global, singularity-free, and minimally-parameterized on-manifold MPC is developed, which fully leverages the accurate aerodynamic model to achieve high-accuracy trajectory tracking within the whole flight envelope. The effectiveness of the proposed framework is demonstrated through extensive real-world experiments in both indoor and outdoor field tests, including agile SE(3) flight through consecutive narrow windows requiring specific attitude and with speed up to 10m/s, typical tail-sitter maneuvers (transition, level flight and loiter) with speed up to 20m/s, and extremely aggressive aerobatic maneuvers (Wingover, Loop, Vertical Eight and Cuban Eight) with acceleration up to 2.5g.


翻译:从理论上讲,我们侧重于差异平地产,充分利用实际的UAV空气动力模型,从而为产生动态可行的轨迹和实现高性能跟踪控制奠定基础。我们发现尾地保有不同,在整个飞行包内有准确的空气动力模型,具体指明协调飞行状况,选择车辆位置为平流输出。这一基本财产使我们能够充分利用轨迹规划和跟踪控制中高不易燃的空气动力模型,实现准确的尾地保速度飞行。特别是,建议为尾地保人设计一个基于优化的轨迹规划器,以创造动态可行的轨迹并实现高性能跟踪控制。我们发现,尾地保存在高质量、平稳的轨迹,考虑到运动动力的制约、无奇异性制约和动作饱和性。计划定型输出轨迹随着环境中的风力,转变为实时的状态轨迹。跟踪状态轨迹、全球、无奇特度和最低度的实地稳定度,以准确的轨迹定位为准确的飞行速度/轨迹,包括快速的飞行轨迹、快速飞行轨迹、快速飞行的轨迹、快速飞行的轨迹、快速的轨迹、快速飞行的轨迹、快速的轨迹,通过显示整个飞行的轨迹。

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