Control a Multi-Ducted Fan UAV Using Thrust Vectoring
Authors:   , Ale Isaac Khoueini Mohammad Sadeq 
Published: October 2024

Unmanned aerial vehicles (UAVs) have emerged as versatile flying systems, finding applications in various sectors, ranging from surveillance and firefighting to reconnaissance and cargo transport. The classification of UAVs spans micro to full-scale, depending on their weight, including payloads. Of particular interest in this thesis are heavy UAVs, as they are capable of carrying substantial payloads and are integral to operations such as crop spraying, long-range monitoring, and portable communication. Achieving extended flight endurance, a critical requirement for many missions has led to the prominence of thermal engines among propulsion systems.

In contradiction, thermal engines introduce mechanical challenges, chief among them being latency in response. Addressing this issue requires innovative control algorithms, especially as conventional control methods often rely on engine propellers for both position and attitude control. The use of distinct actuators to regulate the system introduces redundancy, enhancing stability and safety margins. As a result, the control of heavy UAVs entails multiple layers of complexity.

This comprehensive Ph.D. thesis, comprising three Q1 journal papers, delves into groundbreaking control methodologies, with a specific emphasis on the implementation of thrust vectoring through flap vanes. The overarching goal of this research is to address inherent attitude instabilities, streamline mechanical intricacies, and significantly augment flight endurance, with a primary focus on the domain of heavy UAVs.

Additionally, the thesis embarks on an exploration of the evolution of UAVs from military to civilian applications and introduces the concept of the Unmanned Aerial System (UAS), encompassing the entire ecosystem, including UAVs, Ground Control Stations (GCS), communication systems, and networking components.

Motivated by the "WILD HOPPER" project, which seeks to design a heavy-duty UAV for firefighting operations, the author's role is to develop a suitable control algorithm. The "WILD HOPPER" platform offers unique advantages, including precise payload release capabilities and the ability to operate effectively during nighttime missions, complementing existing aerial firefighting methods.

The thesis clearly defines the problem statement, highlighting key design steps. These steps encompass the investigation of potential control solutions, a comprehensive analysis of aerodynamic interactions, the development of a mathematical model, and a deep dive into the challenges associated with flap vanes under various operating conditions.

The proposed control solution is structured into three primary levels: attitude control and position control, concentrating on the vertical and attitude parameters. It capitalizes on the main propellers to generate the vertical thrust and flap vanes to maintain the system stability and augment flight endurance. The controller's functionality is further fortified through the incorporation of redundant actuation mechanisms.

The research objectives are ambitious, aiming to contribute significantly to the advancement of control methodologies for heavy multi-ducted fan UAVs. These objectives encompass the development of a comprehensive mathematical model, the formulation of innovative control strategies, and the validation of these control techniques through rigorous simulations and real-world experiments.

In conclusion, this Ph.D. thesis is dedicated to advancing the control of multi-ducted fan UAVs through thrust vectoring. The research seeks to address the unique challenges posed by heavy UAVs, with a primary focus on stability improvement and prolonged flight endurance. The proposed control solutions and innovative methodologies hold the promise of making substantial contributions to the field of UAV control.

RESUMEN

Los vehículos aéreos no tripulados (UAVs) han emergido como sistemas voladores versátiles, encontrando aplicaciones en varios sectores, desde vigilancia y extinción de incendios hasta reconocimiento y transporte de carga. La clasificación de los UAVs abarca desde micro hasta escala completa, dependiendo de su peso, incluyendo cargas útiles. De particular interés en esta tesis son los UAV pesados, ya que son capaces de transportar cargas sustanciales y son fundamentales para operaciones como la pulverización de cultivos, monitoreo a larga distancia y comunicación portátil. Lograr una resistencia de vuelo prolongada, un requisito crítico para muchas misiones, ha llevado a la prominencia de los motores térmicos entre los sistemas de propulsión.

Por otro lado, los motores térmicos introducen desafíos mecánicos, siendo uno de los más destacados la latencia en la respuesta. Abordar este problema requiere algoritmos de control innovadores, especialmente porque los métodos de control convencionales a menudo dependen de las hélices del motor tanto para el control de la posición como de la actitud. El uso de actuadores distintos para regular el sistema introduce redundancia, mejorando la estabilidad y los márgenes de seguridad. Como resultado, el control de UAV pesados implica múltiples capas de complejidad.

Esta tesis de doctorado integral, que comprende tres artículos de revistas Q1, profundiza en metodologías de control innovadoras, con un énfasis específico en la implementación de la vectorización de empuje a través de aletas. El objetivo general de esta investigación es abordar las inherentes inestabilidades de actitud, simplificar las complejidades mecánicas y aumentar significativamente la resistencia en vuelo, con un enfoque principal en el ámbito de los UAV pesados.

Además, la tesis emprende una exploración de la evolución de los UAV desde aplicaciones militares hasta aplicaciones civiles e introduce el concepto del Sistema de Aeronave No Tripulada (UAS), que abarca todo el ecosistema, incluyendo UAV, Estaciones de Control en Tierra (GCS), sistemas de comunicación y componentes de redes.

Motivado por el proyecto "WILD HOPPER", que busca diseñar un UAV resistente para operaciones de extinción de incendios, el autor tiene como tarea desarrollar un algoritmo de control adecuado. La plataforma "WILD HOPPER" ofrece ventajas únicas, que incluyen la capacidad de liberar cargas útiles con precisión y la capacidad de operar de manera efectiva en misiones nocturnas, complementando los métodos existentes de extinción de incendios aéreos.

La tesis define claramente el enunciado del problema, resaltando los pasos clave de diseño. Estos pasos comprenden la investigación de posibles soluciones de control, un análisis exhaustivo de las interacciones aerodinámicas, el desarrollo de un modelo matemático y una inmersión profunda en los desafíos asociados con las aletas en diversas condiciones de operación.

La solución de control propuesta se estructura en tres niveles principales: control de actitud, control de posición y control de trayectoria, centrándose en los parámetros verticales y de actitud. Utiliza las hélices principales para generar empuje vertical y las aletas para mantener la estabilidad y aumentar la resistencia en vuelo, reforzada con mecanismos de actuación redundantes.

Los objetivos de investigación son ambiciosos e incluyen el desarrollo de un modelo matemático completo, la formulación de estrategias de control innovadoras y la validación de estas técnicas mediante simulaciones y experimentos en el mundo real, con el propósito de avanzar en las metodologías de control para UAVs pesados de múltiples motores.

En conclusión, esta tesis de doctorado se dedica a avanzar en el control de UAVs de múltiples motores a través de la vectorización de empuje. La investigación busca abordar los desafíos únicos planteados por los UAV pesados, con un enfoque principal en la mejora de la estabilidad y la resistencia en vuelo prolongada.