This paper presents a novel design to enhance the performance of a tailsitter flying wing during its transition phase by adjusting the center of gravity (CG) location and employing temporal index Gaussian process-based derivative incremental nonlinear dynamic inversion (TIGPD INDI) control to address uncertainties arising from CG shifts. In the forward and backward transition phases, the tailsitter relies on elevon and thrust control to manage its pitch axis control. During the forward and backward transition, pitch moment must be generated to rotate large pitch angle range under low dynamic pressures. If restoring pitch moment is too high or too low, the static stability hinders the transitions and flight maneuvers. By adjusting the CG location, the restoring pitching moment relative to the angle of attack is effectively manipulated. The tilt-rotor, tilt-wing and hybrid VTOL integrate rotating structural mechanism or motors for transitions, creating mechanical complexity and increasing mass and energy consumption due to redundancy. There exists extended flap, propeller pitch control, double wing configurations for tailsitter to solve lack of pitching moment issue. Taking an innovative approach, the proposed approach eliminates the need for additional multiple actuators or motors typically required for these configurations by employing simple battery moving mechanism with single actuator without any structural changes at the external frame. To address the complex moment dynamics introduced by CG shifts, a robust TIGPD-INDI control is employed, treating the effects of the CG shift in the model as uncertainties. This controller design requires state derivative terms, for which Gaussian process regression—a data-driven model estimation method—is proposed. Simulation results demonstrate that the proposed CG control integrated tailsitter enables smoother transitions and maintains a narrower angle of attack range compared to a tailsitter without static margin adjustments. Also, the proposed TIGPD INDI controller showed robustness and better estimation performance than other methods.
본 논문은 무게중심(Center of Gravity, CG) 위치를 조정하고, CG 이동으로 인해 발생하는 불확실성을 해결하기 위해 시간 지수 가우시안 프로세스 기반 미분기 증분 비선형 역동역학 제어(Temporal Index Gaussian Process-based Derivative Incremental Nonlinear Dynamic Inversion, TIGPD INDI) 제어를 적용하여 테일시터 플라잉 윙의 천이 단계 성능을 향상시키는 새로운 설계를 제안한다. 전진 및 역 천이 단계에서 테일시터는 엘레본(elevon)과 추력 제어를 통해 피치를 제어한다. 이러한 천이 단계에서는 거의 수직에 가까운 자세와 낮은 비행 속도로 인해 높은 받음각(angle of attack)과 낮은 동압(dynamic pressure)이 발생하여 안정화를 위한 복원 모멘트(restoring moment)가 제한된다. 반면, 역 천이에서는 큰 정적 여유(static margin)가 피치-업(pitch-up) 동작을 방해하여 기동성능을 저하시킨다. 본 연구에서는 CG 위치를 조정함으로써 받음각에 대한 복원 피칭 모멘트를 효과적으로 제어 하였으며, 이러한 방식은 다중 로터, 로터 피치 제어, 이중 날개, 틸트 로터, 틸트 윙, 또는 호버링이 가능한 하이브리드 플랫폼에서 일반적으로 요구되는 추가적인 액추에이터나 모터의 필요성을 제거하였다. CG 이동으로 인해 발생하는 복잡한 모멘트 항을 처리하기 위해 강건한 TIGPD-INDI 제어기를 적용하여, CG 이동의 영향에 대처하였다. 이 제어기 설계는 상태 미분(state derivative) 항을 필요로 하며, 이를 위해 데이터 기반 모델 추정 방법인 가우시안 프로세스 회귀(Gaussian Process Regression)를 적용하였다. 시뮬레이션 결과, 제안된 CG 제어가 통합된 테일시터는 정적 여유 조정 없이 운용되는 테일시터에 비해 더 부드러운 천이와 좁은 받음각 범위를 유지하는 것으로 나타났다. 또한, 제안된 TIGPD INDI 제어기는 다른 방법들에 비해 높은 강건성과 우수한 추정 성능을 보여주었다.
