Practical Issues of Flight Control System Design for UAV

Year 2025, Volume: 2 Issue: Aviation Technologies and Applications Conference (ATAConf'25) Special Issue, 1 - 20, 31.12.2025

Hüseyin Aktan

Abstract

The design of autopilot and flight control systems plays a critical role in modern aviation and defense technologies. Achieving high and robust performance throughout the entire flight envelope requires reliable control methods. In this study, Robust Servo Linear Quadratic Regulator (RSLQR) with Static Output Feedback approach is used as a control design method. To make the design more realistic and practically implementable, sensor noise filters, actuator dynamics, and additional time-delays caused by software and hardware are included in the analysis model. However, adding these elements increases system complexity and the number of unmeasured states, which makes controller design more difficult. This study focuses on this practical challenge and proposes an engineering-based solution. If the system has more unmeasured states than measured states, the performance of the RSLQR Static Output Feedback algorithm tends to decrease. To overcome this issue, a simplified approach is proposed: instead of modeling each dynamic element separately, a single equivalent time-delay state is introduced to represent their combined effect. This solution keeps the model realistic while ensuring controller performance and robustness and also offers a practical way to apply the RSLQR Static Output Feedback method to real-world UAV flight control system design.

Keywords

Flight Control System , Autopilot , RSLQR , Output Feedback , UAV

İHA Uçuş Kontrol Sistemi Tasarımındaki Pratik Sorunlar

Abstract

Otopilot ve uçuş kontrol sistemlerinin tasarımı, modern havacılık ve savunma teknolojilerinde kritik bir rol oynamaktadır. Uçuş zarfının tamamında yüksek ve gürbüz performans elde etmek için güvenilir kontrol yöntemleri gereklidir. Bu çalışmada, kontrol tasarım metodu olarak Statik Çıkış Geri Besleme yöntemi (Static Output Feedback) ile Gürbüz Servo Doğrusal Karesel Regülatör (RSLQR) metodu kullanılmıştır. Tasarımı daha gerçekçi hâle getirmek ve pratik olarak uygulanabilir kılmak amacıyla sensör gürültü filtreleri, eyleyici dinamikleri ve yazılım ile donanımdan kaynaklanan ek zaman gecikmeleri de analiz modeline dâhil edilmiştir. Ancak bu unsurların eklenmesi, sistem karmaşıklığı ile ölçülemeyen sinyallerin sayısını artırmakta ve kontrolcü tasarımını zorlaştırmaktadır. Bu çalışma, söz konusu pratik soruna odaklanmakta ve mühendislik temelli bir çözüm önermektedir. Ölçülemeyen sinyallerin sayısı, ölçülebilen sinyallerin sayısından fazla olduğunda, RSLQR Statik Çıkış Geri Besleme metodunun performansı genellikle düşmektedir. Bu sorunu aşmak için basitleştirilmiş bir yaklaşım önerilmektedir: her bir dinamik elemanı ayrı ayrı modellemek yerine, bunların ortak etkisini temsil eden tek bir eşdeğer zaman gecikmesi sisteme eklenmiştir. Bu çözüm, modelin gerçekçiliğini korurken kontrolcü performansını ve gürbüzlüğünü sürdürmekte ve RSLQR Statik Çıkış Geri Besleme yönteminin gerçek dünyadaki İHA uçuş kontrol sistemlerine uygulanabilmesi için pratik bir yol sunmaktadır.

Keywords

Uçuş Kontrol Sistemi , Otopilot , RSLQR , Çıkış Geri Besleme , İHA

References

• Eugene Lavretsky, Kevin A. Wise. 2024. Robust and Adaptive Control with Aerospace Applications – 2nd Edition, 1439-2232.
• FM(AG08), TP-088-31, K. Stahl Gunnarson. 1997. HIRM Design Challange Presentation Document: a μ Synthesis Approach. GARTEUR.
• FM(AG08), TP-088-4. 1997. Robust Flight Control Design Challange Problem Formulation and Manual: The High Incidence Research Model (HIRM), GARTEUR.
• Hüseyin Aktan. 2018. Sürekli Zaman Genelleştirilmiş Öngörülü Denetleyici ile F-16 Uçuş Denetim Sistemi Tasarımı. Hacettepe Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi.
• Hüseyin AKTAN, Hüseyin Demircioğlu. 2018. Bir Muharebe Uçağı İçin SÜGÖNDE Yöntemi ile qCAS Tasarımı ve PIO Yatkınlık Testinin Yapılması, SAVTEK
• Hüseyin AKTAN, Hüseyin Demircioğlu. 2018. F-16 Savaş Uçağı İçin SÜGÖNDE Yöntemi ile Hız ve İrtifa Tutuş Otopilotu Tasarımı ve Benzetimi, TOK
• Kevin A. Wise. 2003. First Flight of the X-45A Unmanned Combat Air Vehicle (UCAV). AIAA Atmospheric Flight Mechanic Conference and Exhibit.
• Ronald W. Davidson. 2004. Flight Control Design and Test of the Joint Unmanned Combat Air System (J-UCAS) X-45A. AIAA 3rd “Unmanned Unlimitted” Technical Conference, Workshop and Exhibit.
• T. Berger, M. Tischler, S. G. Hagerott, D. Gangsaas and N. Saeed. 2013. Longitudinal Control Law Design and Handling Qualities Optimization for a Business Jet Flight Control System. Atmospheric Flight Mechanic Conference and Exhibit.