VTOL UAV のコントローラーの設計と調整

この例では次を使用します。

ライブ スクリプトを開く

この例のシリーズでは、リファレンス アプリケーション テンプレートを MATLAB® プロジェクトとして使用して、垂直離着陸 (VTOL) UAV コントローラーを設計し、調整する方法を説明します。MATLAB プロジェクトの詳細については、プロジェクトの作成を参照してください。

このリファレンス アプリケーションは、ティルト ローター構成の VTOL UAV をモデル化します。この構成では、VTOL UAV は 2 つのリア固定ローター、2 つのティルト フロント ローター、および翼を動作させます。この構成により、VTOL UAV はマルチコプターのように滑走路を必要とせずに垂直方向に離着陸でき、固定翼構成に遷移することで比較的速い巡航速度を実現できます。

Tilt rotor VTOL UAV with front 2 rotors transitioning to fixed wing configurations

VTOL UAV モデルの概要を確認するには、VTOL UAV モデルの概要に進みます。動作する VTOL UAV を確認するには、最初の VTOL UAV 飛行のシミュレーションに進みます。

VTOL UAV の制御設計プロセスを開始する準備が整ったら、この例のシリーズに含まれるいずれかの例に移動します。

VTOL UAV の制御設計手順

この例のシリーズでは、都市環境でのミッションの全フェーズ (ホバリング飛行、固定翼飛行、これら 2 つのフェーズ間の遷移など) に合わせて VTOL UAV コントローラーを調整する方法を説明します。このシリーズでは、PX4® フライト コントローラーを使用して設計済みのコントローラーをハードウェアインザループ (HITL) シミュレーションに展開する方法と、Unreal Engine® を使用して 3D 環境でシミュレーションを可視化する方法も説明します。

例のシリーズの各セクションの詳細については、次のリンクを参照してください。

  1. Tune Control Design for VTOL UAV in Hover Configuration

  2. Tune Hover Control Design for VTOL UAV in Steady Wind Condition

  3. Multiloop Control Design for VTOL UAV in Fixed Wing Flight

  4. Tune Control Design for VTOL UAV in Transition

  5. VTOL UAV Battery Sizing for Mission Over an Urban Environment

  6. Visualize VTOL UAV Mission Over Urban Environment

  7. PX4 Hardware-in-the-Loop (HITL) Simulation with VTOL UAV Tilt-Rotor Plant in Simulink

  8. Visualize PX4 Hardware-in-the-Loop (HITL) Simulation with VTOL UAV Over Urban Environment

  9. Customize VTOL UAV Configuration

VTOL UAV プロジェクトとモデルを開く

VTOLRefApp.prj プロジェクト ファイルには、この例のシリーズで使用する Simulink® モデル、サポート ファイル、およびプロジェクト ショートカットが含まれています。

まず、コマンド ウィンドウで openExample('uav/DesignAndTuneControllerForVTOLUAVExample') を実行して、プロジェクト ファイルを含むディレクトリにアクセスし、次のコードを実行してプロジェクト ファイルを開きます。

% Open the Simulink project.
prj = openProject("VTOLApp/VTOLRefApp.prj");

[プロジェクト] タブを開き、ショートカットを表示します。

Project shortcuts

[Open Model] ショートカットをクリックして VTOLTiltrotor Simulink モデルを開き、モデルを確認します。

VTOL tilt-rotor model

VTOLTiltrotor Simulink® モデルには、設計に応じてカスタマイズできる次の 5 つの主なサブシステムが含まれています。

  • Ground Control Station – 一連の操縦を実行してミッションを完了するように VTOL UAV に指示します。

  • Autopilot – Low level controller サブシステムと Guidance test bench サブシステムを含む VTOL UAV フライト コントローラー。Guidance test bench サブシステムには、離陸、前方遷移、ウェイポイント ナビゲーション、旋回移動、後方遷移、着陸などのさまざまなフライト モードにおける下位レベルのコントローラーの設定点を計算する上位レベルのコントローラーが含まれています。また、このロジックにより、ミッション中にモードが変化する条件が特定されます。

  • Manual Control Dashboard – このサブシステムを使用して、VTOL UAV を手動で制御します。このサブシステムを使用する前に、[Manual Mode] ショートカットを使用してテスト ベンチの手動制御モードを有効にする必要があります。

  • Digital Twin – VTOL UAV プラント モデル。このサブシステムには、VTOL UAV の動的なエアロダイナミクスおよび推進モデルが含まれています。

  • Visualization – VTOL UAV 飛行を可視化します。

最初の VTOL UAV 飛行のシミュレーション

動作する VTOL UAV を確認するには、ホバリング構成で手動制御により VTOL UAV 飛行をシミュレーションします。プロジェクト ショートカットの [Set up Plant] ボタンをクリックして VTOL UAV プラントを設定し、ホバリング構成を有効にするか、setupPlant 補助関数を実行します。

setupPlant;
Initialized VTOL model.
Enabled hover configuration.
Enabled hover guidance mission.

手動制御を有効にするには、プロジェクトの [Hover] セクションで [Manual Mode] をクリックするか、setupHoverManual 補助関数を使用します。

setupHoverManual;
Enabled hover manual testbench mode.

VTOLTiltrotor Simulink モデルを実行し、VTOLTiltrotor/Manual Control Dashboard サブシステムに移動します。

Manual control dashboard

Hover Commands セクションのスライダーを調整し、ホバリング構成での UAV の飛行応答を観察します。

Plot of UAV attitude and position

UAV が手動の設定点を追従していることを確認します。ただし、ミッションの軌跡が複雑な場合、UAV が非線形性の高い状態になる可能性があるため、UAV がすべてのミッションの軌跡を追従できることを確認するには、これだけでは不十分です。

再開してこの例のシリーズに含まれる他の例に進む前に、コマンド ウィンドウで次のコマンドを実行して、VTOLRefApp.prj Simulink プロジェクトを閉じる必要があります。

close(prj)

UAV がより複雑な軌跡を追従できることを確認し、コントローラー ゲインを調整してホバリング モードでの追従性能を改善する方法の例については、Tune Control Design for VTOL UAV in Hover Configurationを参照してください。

参考

トピック