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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Urban Air Mobility (UAM) represents a transformative paradigm in transportation, propelled by advancements in Vertical Takeoff and Landing (VTOL) technology. This master’s
dissertation delves into the intricate dynamics and control aspects of VTOL aircraft, specifically focusing on the transition from hover to forward flight for UAM applications. The research centers on three interconnected goals: optimizing Linear Quadratic Regulator (LQR)
controllers, addressing practical implementation challenges, and conducting a simulationbased analysis of controller performance.
The investigation into LQR controllers reveals their potential for fine-tuning control
strategies during the critical VTOL transition phase. Achieving enhanced stability, precision, and efficiency, this optimization contributes not only to theoretical control frameworks
but also establishes a practical foundation for robust and adaptive control systems in VTOL
UAM aircraft.
Exploration of practical implementation challenges provides valuable insights into realworld constraints associated with VTOL transition. Propulsion system dynamics, aerodynamic effects, and sensor limitations are scrutinized, offering a roadmap for integrating advanced control algorithms into operational UAM vehicles.
A rigorous simulation-based analysis evaluates the performance of optimized LQR controllers in dynamic flight environments. Validating their efficacy and providing a platform
for sensitivity analysis, this analysis is crucial for anticipating and mitigating challenges in
real-world applications.
Reflecting on the implications of this research, the optimized LQR controllers, coupled
with a deeper understanding of practical challenges, stand to reshape the landscape of VTOL
UAM aircraft. This simulation-based analysis not only validates controllers but serves as a
predictive tool for assessing robustness across diverse operational conditions.
Looking ahead, the goals achieved in this dissertation set the stage for continued advancements in UAM. The optimized LQR controllers, informed by practical considerations, provide
a foundation for further exploration and adaptation. Future research may extend into lateral
flight, application of Gain Scheduling control strategies, experimental validations, real-world
testing, and the integration of additional control features to enhance adaptability in dynamic
urban environments.
In conclusion, this research contributes significantly to the discourse on urban air mobility.
By addressing specific goals and providing actionable insights, it expands the theoretical
framework and offers valuable guidance for engineers, researchers, and policymakers involved
in the development of VTOL UAM systems. This dissertation represents a pivotal milestone in
the pursuit of safe, efficient, and sustainable urban air transportation, laying the groundwork
for the seamless transition from hover to forward flight in VTOL aircraft.
Nos últimos anos, a evolução da engenharia autónoma, exemplificada pelos avanços em Inteligência Artificial (IA), transformou várias indústrias. O setor aeronáutico testemunhou uma mudança de paradigma com o surgimento de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) e o advento de Aeronaves de Mobilidade Aérea Urbana (AMAU). Apesar do rápido progresso, existe uma lacuna crítica na compreensão e implementação de sistemas de controlo fiáveis para aeronaves de Descolagem e Aterragem Verticais (VTOL) durante a transição de pairar para voo frontal. A Mobilidade Aérea Urbana (AMAU) visa a utilização de aeronaves pequenas, alimentadas por eletricidade, para transporte eficiente em áreas urbanas e suburbanas. Este conceito ganhou impulso devido aos avanços tecnológicos, particularmente na propulsão elétrica e sistemas autónomos. Grandes empresas como a UBER e a Airbus estão a investir bastante na AMAU, prevendo um futuro onde as deslocações entre cidades são rápidas, confortáveis e autónomas. Aeronaves VTOL, frequentemente parte da frota AMAU, desempenham um papel fundamental, permitindo descolagens e aterragens sem pistas tradicionais. Os objetivos principais desta tese são triplos. Em primeiro lugar, visa otimizar os controladores Linear Quadratic Regulator (LQR) do Modo Longitudinal durante a fase crítica de transição de voo pairado para voo frontal em aeronaves VTOL e inserir ainda o conceito de propulsao vetorizada neste controlador. Isso envolve aprimorar os ganhos de controlo, considerar diversas configurações de aeronaves e realizar simulações aprofundadas para aplicações no mundo real. Em segundo lugar, a pesquisa aborda desafios práticos de implementação associados aos sistemas de controlo VTOL, lidar com incertezas. Por último, a dissertacao conduz uma análise baseada em simulação do desempenho do controlador, avaliando vários controladores em diferentes condições ambientais e operacionais. A revisão do estado da arte em controladores VTOL é explorada, enfatizando a paisagem dinâmica de pesquisa e desenvolvimento. Estratégias de controlo, como controladores Proporcional-Integral-Derivativo (PID), Controlo Preditivo de Modelo (MPC) e controladores LQR, são discutidas. São destacados controladores personalizados para diferentes configurações VTOL, especialmente a versatilidade dos controladores LQR. Desafios práticos de implementação, incluindo ruído do sensor e incertezas em ambientes operacionais complexos, são reconhecidos, enfatizando a necessidade de melhorias na robustez. A pesquisa é estruturada de forma sistemática, começando por uma base teórica sólida que estabelece princípios relevantes para aeronaves VTOL e design de controladores. Aprofundase nas características e complexidades únicas das aeronaves VTOL, fornecendo uma base para a modelação detalhada. O foco crítico é o Design do Controlador, abrangendo o estado de equilíbrio, linearização, controlabilidade, observabilidade e estabilidade dinâmica. Explora-se a implementação de controladores LQR, e uma análise de regulamentação da Agência Europeia para a Segurança da Aviação (EASA) e da Administração Federal de Aviação (FAA) é incluída. A dissertação contribui para o avanço do campo de sistemas de controlo VTOL, abordando lacunas identificadas. Propõe controladores LQR otimizados para transições mais suaves durante o voo de aeronaves VTOL, oferece soluções práticas para desafios de implementação e conduz uma análise abrangente baseada em simulação do desempenho do controlador. A natureza interligada destas contribuições assegura uma abordagem holística para melhorar os sistemas de controlo VTOL, tornando-os mais fiáveis e eficientes em diversos contextos operacionais. Conclui-se esta dissertação com uma síntese das principais descobertas, enfatizando a sua importância no contexto mais amplo da dinâmica e controlo de aeronaves VTOL. Insights sobre potenciais áreas para futuras pesquisas são fornecidos, reconhecendo a natureza dinâmica e evolutiva do campo. A abordagem estruturada garante uma exploração abrangente da dinâmica e controlo de aeronaves VTOL, oferecendo informações valiosas para investigadores, engenheiros e decisores na indústria da aviação. Esta pesquisa não é apenas um empreendimento académico, mas um passo crucial para moldar o futuro do voo autónomo. Ao desvendar as complexidades da dinâmica VTOL e aprimorar os sistemas de controlo, a tese contribui para uma nova era na aviação, onde as aeronaves VTOL navegam de forma impecável pelos cenários urbanos com precisão, confiabilidade e eficiência.
Nos últimos anos, a evolução da engenharia autónoma, exemplificada pelos avanços em Inteligência Artificial (IA), transformou várias indústrias. O setor aeronáutico testemunhou uma mudança de paradigma com o surgimento de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) e o advento de Aeronaves de Mobilidade Aérea Urbana (AMAU). Apesar do rápido progresso, existe uma lacuna crítica na compreensão e implementação de sistemas de controlo fiáveis para aeronaves de Descolagem e Aterragem Verticais (VTOL) durante a transição de pairar para voo frontal. A Mobilidade Aérea Urbana (AMAU) visa a utilização de aeronaves pequenas, alimentadas por eletricidade, para transporte eficiente em áreas urbanas e suburbanas. Este conceito ganhou impulso devido aos avanços tecnológicos, particularmente na propulsão elétrica e sistemas autónomos. Grandes empresas como a UBER e a Airbus estão a investir bastante na AMAU, prevendo um futuro onde as deslocações entre cidades são rápidas, confortáveis e autónomas. Aeronaves VTOL, frequentemente parte da frota AMAU, desempenham um papel fundamental, permitindo descolagens e aterragens sem pistas tradicionais. Os objetivos principais desta tese são triplos. Em primeiro lugar, visa otimizar os controladores Linear Quadratic Regulator (LQR) do Modo Longitudinal durante a fase crítica de transição de voo pairado para voo frontal em aeronaves VTOL e inserir ainda o conceito de propulsao vetorizada neste controlador. Isso envolve aprimorar os ganhos de controlo, considerar diversas configurações de aeronaves e realizar simulações aprofundadas para aplicações no mundo real. Em segundo lugar, a pesquisa aborda desafios práticos de implementação associados aos sistemas de controlo VTOL, lidar com incertezas. Por último, a dissertacao conduz uma análise baseada em simulação do desempenho do controlador, avaliando vários controladores em diferentes condições ambientais e operacionais. A revisão do estado da arte em controladores VTOL é explorada, enfatizando a paisagem dinâmica de pesquisa e desenvolvimento. Estratégias de controlo, como controladores Proporcional-Integral-Derivativo (PID), Controlo Preditivo de Modelo (MPC) e controladores LQR, são discutidas. São destacados controladores personalizados para diferentes configurações VTOL, especialmente a versatilidade dos controladores LQR. Desafios práticos de implementação, incluindo ruído do sensor e incertezas em ambientes operacionais complexos, são reconhecidos, enfatizando a necessidade de melhorias na robustez. A pesquisa é estruturada de forma sistemática, começando por uma base teórica sólida que estabelece princípios relevantes para aeronaves VTOL e design de controladores. Aprofundase nas características e complexidades únicas das aeronaves VTOL, fornecendo uma base para a modelação detalhada. O foco crítico é o Design do Controlador, abrangendo o estado de equilíbrio, linearização, controlabilidade, observabilidade e estabilidade dinâmica. Explora-se a implementação de controladores LQR, e uma análise de regulamentação da Agência Europeia para a Segurança da Aviação (EASA) e da Administração Federal de Aviação (FAA) é incluída. A dissertação contribui para o avanço do campo de sistemas de controlo VTOL, abordando lacunas identificadas. Propõe controladores LQR otimizados para transições mais suaves durante o voo de aeronaves VTOL, oferece soluções práticas para desafios de implementação e conduz uma análise abrangente baseada em simulação do desempenho do controlador. A natureza interligada destas contribuições assegura uma abordagem holística para melhorar os sistemas de controlo VTOL, tornando-os mais fiáveis e eficientes em diversos contextos operacionais. Conclui-se esta dissertação com uma síntese das principais descobertas, enfatizando a sua importância no contexto mais amplo da dinâmica e controlo de aeronaves VTOL. Insights sobre potenciais áreas para futuras pesquisas são fornecidos, reconhecendo a natureza dinâmica e evolutiva do campo. A abordagem estruturada garante uma exploração abrangente da dinâmica e controlo de aeronaves VTOL, oferecendo informações valiosas para investigadores, engenheiros e decisores na indústria da aviação. Esta pesquisa não é apenas um empreendimento académico, mas um passo crucial para moldar o futuro do voo autónomo. Ao desvendar as complexidades da dinâmica VTOL e aprimorar os sistemas de controlo, a tese contribui para uma nova era na aviação, onde as aeronaves VTOL navegam de forma impecável pelos cenários urbanos com precisão, confiabilidade e eficiência.
Description
Keywords
Controlo Longitudinal Fase de Transição Projeto de Controlo Lqr Uam Vtol