Seamless Flight Transition Strategies for Autonomous Tiltrotor eVTOLs with SILS Validation = 틸트로터 eVTOL을 위한 부드러운 천이 비행 전략 및 SILS 검증

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 전방 틸트형 eVTOL 항공기를 대상으로, 온라인 최적화나 복잡한 경험적 스케줄링에 의존하지 않고도 매끄러운 전이 비행을 구현할 수 있는 해석적 비행 전이 전략(Flight Transition Strategy, FTS)을 제안한다. 제안된 전이 스케줄은 공력 및 추력의 순간적 힘 평형 조건에 기반하여 오프라인에서 도출되며, 틸트 구동기에 대한 속도 명령 스케줄 형태로 적용된다. 제어 할당은 각 구동기의 순간적인 제어 효율도를 기반으로 계산된 실시간 블렌딩 가중치를 통해 수행된다. 전이 구간 전반에 걸쳐 고도 및 대기속도에 대한 분리된 외부 루프 제어기가 동시에 활성화되며, 이들의 출력은 연속적으로 혼합되어 제어 권한의 부드러운 이행을 보장한다.
물리 기반 6자유도 소프트웨어-인-더-루프 시뮬레이션을 통해, 제안된 FTS가 기준 PX4 비행제어기의 대기속도 임계값 기반 모드 전환 로직에 비해 정상 조건 및 외란 환경 모두에서 일관된 성능 향상을 제공함을 확인하였다. 특히, 고도 손실 감소, 피치 동특성의 완화, 그리고 제어 권한의 연속적 이행 측면에서 유의미한 개선이 관찰되었다. 기존 전이 전략에 내재된 불연속성을 제거함으로써, 본 연구에서 제안하는 방법은 전방 틸트형 eVTOL 구성에 대해 안정적이며 실질적으로 구현 가능한 전이 제어 해법을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes an analytically derived flight transition strategy (FTS) for front-tilt eVTOL aircraft that achieves a seamless forward transition without online optimization or reliance on complex empirical scheduling. The transition schedule (tilt angle versus airspeed) is derived offline from instantaneous force equilibrium and implemented as a rate-command schedule for the tilt actuator. Control allocation is achieved via real-time blending weights computed from instantaneous actuator effectiveness. Decoupled altitude and airspeed controllers are active throughout the transition, with their outputs continuously blended to ensure smooth authority migration. Comprehensive 6-DoF software-in-the-loop simulations demonstrate that the proposed FTS provides consistent performance improvements over the baseline PX4 airspeed-threshold-based mode-switching logic under both nominal and disturbed conditions, including reduced altitude loss, limited pitch excursions, and smooth migration of control authority. By avoiding the discontinuities inherent in conventional transition strategies, the proposed method provides a stable and practically implementable solution for front-tilt eVTOL configurations.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research Background and Motivation 1
• 1.2 Challenges in Transition Control 3
• 1.2.1 Structure Control Conflict in Front-Tilt Configurations 5
• 1.3 Proposed Approach and Contributions 7
• 1.4 Dissertation Organization 9
• Chapter 2. Related Work 10
• 2.1 Transition Strategy Categories 10
• 2.2 Comparison of Representative Transition Strategies 10
• 2.3 Classical Gain-Scheduling and Blending Strategies 12
• 2.4 Nonlinear and Optimization-Based Transition Control 14
• 2.5 Offline Transition Trajectory Planning 15
• Chapter 3. Methodology 19
• 3.1 Modeling Assumptions and Notation 20
• 3.2 Vehicle Modeling and Dynamics 20
• 3.2.1 Propulsion Forces and Moments with Tilt 21
• 3.2.2 Aerodynamic Stall Blending 22
• 3.3 Offline Generation of the Tilt-Airspeed Schedule 23
• 3.4 Actuator-Effectiveness-Based Control Allocation 27
• 3.4.1 Pitch channel 27
• 3.4.2 Throttle channel 28
• 3.5 VTOL Control Architecture 32
• 3.5.1 Multicopter Control (Hover and Early Transition) 32
• 3.5.2 Fixed-Wing Outer-Loop Control (Proposed FTS) 33
• 3.5.3 Fixed-Wing Inner-Loop Attitude Control 35
• Chapter 4. Simulation Results 36
• 4.1 Simulation Setup and Test Conditions 36
• 4.1.1 Vehicle Parameters and Solver Settings 37
• 4.1.2 Control Parameters 38
• 4.2 Comparative Evaluation Methodology 39
• 4.3 PX4 Baseline Selection 41
• 4.4 Algorithmic Verification (Nominal Transition) 44
• 4.5 Algorithmic Verification (Robustness to Atmospheric Disturbances) 51
• 4.6 Flight Stack Validation (PX4 SITL) 55
• 4.7 Quantitative Evaluation 62
• 4.7.1 Algorithmic performance (Simulink) 63
• 4.7.2 Implementation Verification (PX4 SITL/Gazebo) 64
• Chapter 5. Discussion 66
• 5.1 Trade-off: Transition Duration vs Dynamic Stability 66
• 5.2 Structural Advantage: Analytic Equilibrium Scheduling vs
• Numerical Optimization 67
• 5.3 Limitation and Future Work : Model Dependency 68
• Chapter 6. Conclusion 69
• Appendix A. Standard PX4 Forward-Transition Logic 73
• Appendix B. Flight Dynamics Model 76
• Appendix C. Aerodynamic Model 80
• Appendix D. Control Allocation Mixer for Front-Tilt Configuration 83
• Appendix E. Individual Controller Step-Response Validation 85
• References 86