In the last decade, autonomous vertical take-off and landing (VTOL) vehicles have become increasingly important as they lower mission costs thanks to their re-usability. However, their development is complex, rendering even the basic experimental validation of the required advanced guidance and control (G & C) algorithms prohibitively time-consuming and costly. In this paper, we present the design of an inexpensive small-scale VTOL platform that can be built from off-the-shelf components for less than 1000 USD. The vehicle design mimics the first stage of a reusable launcher, making it a perfect test-bed for G & C algorithms. To control the vehicle during ascent and descent, we propose a real-time optimization-based G & C algorithm. The key features are a real-time minimum fuel and free-final-time optimal guidance combined with an offset-free tracking model predictive position controller. The vehicle hardware design and the G & C algorithm are experimentally validated both indoors and outdoor, showing reliable operation in a fully autonomous fashion with all computations done on-board and in real-time.


翻译:在过去的十年中,自主垂直起飞和着陆(VTOL)车辆由于可重新使用而降低任务成本,因此变得越来越重要。然而,这些车辆的发展十分复杂,甚至使所需的高级指导和控制(G & C)算法的基本实验性验证变得极其耗时和昂贵。在本文中,我们介绍了一个廉价的小型VTOL平台的设计,该平台可从现成部件中建造,价格低于1,000美元。车辆设计模仿了可重复使用的发射器的第一阶段,使它成为G & C算法的完美测试台。为了控制车辆在升降期间的精确测试台。我们提议采用实时优化的G & C算法。关键特征是实时最低燃料和自由最终最佳指导,同时配有免费跟踪模型预测位置控制器。车辆硬件设计和G & C算法在室内和室外都经过实验性验证,显示在完全自主的操作方式下,所有计算都是在机上和实时进行的。

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