Swashplateless-elevon Actuation for a Dual-rotor Tail-sitter VTOL UAV

Autoren: Nan Chen, Fanze Kong, Haotian Li, Jiayuan Liu, Ziwei Ye, Wei Xu, Fangcheng Zhu, Ximin Lyu, Fu Zhang · IROS 2023

Lizenzen

Open Access
Paper: CC BY 4.0

Alles Folgende stützt sich auf das vollständige Paper unter seiner Lizenz CC BY 4.0; die Abbildung wird mit Nennung der Autoren gezeigt.

Kurz gesagt

Die Nicksteuerung wandert von den Elevons zu passiven taumelscheibenlosen Rotornaben, angesteuert über Modulation der Motordrehzahl: Ein zweirotoriger Tail-Sitter mit 2,25 kg startet, folgt Trajektorien und unterdrückt Wind besser, ohne zusätzliche Aktuatoren

Warum es wichtig ist

Da die Rotoren das Nicken übernehmen, bleibt der Elevon-Ausschlag für Gieren und Störunterdrückung verfügbar, und das Nickmoment hängt nicht von der Propellerströmung über die Elevons ab, sodass der Start in Bodennähe stabil bleibt. Dies gelingt ohne zusätzliche Motoren oder Servos und unter Beibehaltung der zweirotorigen Bauweise, die laut Paper günstiger, leichter und besser transportierbar ist als Tail-Sitter mit vier Rotoren.

Problem

Zweirotorige Tail-Sitter-VTOL-UAVs steuern Nicken und Gieren meist beide mit Elevons (konventionelle Elevon-Aktuierung, CEA), und der große Flügel fängt Wind vor allem in diesen beiden Achsen. Große Stellanforderungen in beide Richtungen sättigen den begrenzten Elevon-Ausschlag, was die Regelung verschlechtert oder das Fluggerät destabilisiert. In Bodennähe ist der Abwind des Propellers gestört, sodass die Elevons beim Start Steuermoment verlieren und das Nicken instabil werden kann.

Lösungsansatz

Die taumelscheibenlose Elevon-Aktuierung (SEA) montiert an jedem Motor einen passiven taumelscheibenlosen Mechanismus: Eine sinusförmige Drehzahlmodulation des Motors, getaktet durch die Messung des Rotorwinkels mit einem magnetischen Encoder, lässt asymmetrisch angelenkte Blätter ihren Anstellwinkel zyklisch ändern und erzeugt ein Nickmoment. Das Rollen kommt aus differenziellem Schub, das Gieren allein aus den Elevons, und ein in PX4 ergänzter eigener Mischer läuft mit 1 kHz, um gewünschten Schub und gewünschte Momente auf Motordrosseln und Servowinkel abzubilden. Die verbesserte Nabe ergänzt Kugellager und Drucklager, um die Gelenkreibung zu verringern.

Wichtigste Erkenntnisse

Eine passive taumelscheibenlose Nabe erzeugt ein Nickmoment allein über Modulation der Motordrehzahl, sodass die Nicksteuerung keinen zusätzlichen Aktuator benötigt.
Das Nicken an die Rotornaben und das Gieren an die Elevons zu geben, verhindert, dass die Elevons in die Sättigung gehen, wenn der Flügel in beiden Achsen große Störungen erfährt.
Das taumelscheibenlose Moment ist unabhängig von der Propellerströmung über die Steuerflächen, sodass der Bodeneffekt beim Start es nicht beeinträchtigt.
Der SEA-Mischer läuft mit der IMU-Rate, eingestellt auf 1 kHz, damit Encoder-Messwerte mit 910 Hz nicht verloren gehen, und die Verzögerung des ESC-Protokolls DShot600 von 26,7 µs ist kurz genug für eine hochfrequente Drehzahlmodulation.
Kugel- und Drucklager in den Gelenken liefern eine glattere, linearere Momentabgabe und ein schnelleres Ansprechen als die ursprüngliche taumelscheibenlose Konstruktion.

Hauptergebnisse

Start unter Positionsregelung: Positionsfehler 0,04 m mit SEA gegenüber 0,79 m mit CEA (5,1 %), wobei der Nickfehler der CEA 14,7° erreichte.
Start unter Lageregelung: maximaler Nickfehler 1,4° mit SEA, gegenüber 8,6° für CEA vom Boden und 2,1° für CEA von einem erhöhten Sockel.
Folgen einer Acht (2 m × 1 m, kontinuierliches Gieren): Median des Positionsfehlers 14,17 cm gegenüber 15,35 cm (max. 38,91 gegenüber 40,64 cm) und Median des Gierfehlers 19,5° gegenüber 27,1° (max. 87,9° gegenüber 119,3°), SEA gegenüber CEA.
Schweben in einer ausgeglichenen Ventilatorböe von etwa 4,5 m/s: Median des x-Positionsfehlers 1,77 cm gegenüber 3,83 cm (max. 6,60 gegenüber 7,92 cm); die CEA hatte einen etwas kleineren Median des Nickfehlers (1,09° gegenüber 1,32°), aber ein größeres Maximum (5,78° gegenüber 4,08°).
Positionssprünge unter einseitigem Wind: Beim Sprung nach vorn zeigte die CEA Nickschwingungen, Gierfehler bis 31,2° und Rollfehler bis 8,2°, die SEA keine Schwingung; beim seitlichen Sprung betrug der maximale Gierfehler 22,1° für CEA gegenüber 8,4° für SEA.
Transition und Starrflügelflug im Freien mit SEA: Die Transition wurde ohne Überschwingen verfolgt, die Geschwindigkeit erreichte 9,6 m/s, und die maximalen Fehler nach der Transition betrugen 5,3° beim Rollen und 3,8° beim Gieren. Section IV-D gibt den Nick-Sollwert im Starrflügelmodus mit -65° an (Flügel 35° zur Horizontalen) und sagt dann, das Nicken sei 'stets bei 65° geblieben'.

Einschränkungen

Die SEA wurde im Starrflügelflug nicht quantitativ mit der CEA verglichen; die Autoren verweisen auf eine frühere Verifikation des Starrflügelflugs mit CEA und zeigen nur die Umsetzbarkeit der SEA.
Im Starrflügelflug zeigten Rollen (Motoren) und Gieren (Elevons) leichte Schwingungen um die Sollwerte, am größten direkt nach der Transition, was laut den Autoren von Strömungsstörungen herrühren könnte.
Bei ausgeglichenem Wind im Schwebeflug hatte die CEA einen etwas kleineren Median des Nickfehlers als die SEA (1,09° gegenüber 1,32°).
Die Verzögerungskonstante der Blattträgheit γ₀ muss vorab anhand von Prüfstandsdaten kalibriert werden.
Alle Ergebnisse stammen von einer einzigen Eigenbau-Zelle (Hong He), mit Positionsrückführung in Innenräumen durch ein Vicon-Motion-Capture-System; das Paper hat keinen eigenen Abschnitt zu Einschränkungen.

Wirkung auf das Fachgebiet

Gewinner des IROS 2023 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design (gesponsert von ROBOTIS) und Finalist für IROS 2023 Best Overall Paper und Best Student Paper; 12-mal zitiert. Die Autoren veröffentlichen ein Video aller Experimente; das Paper nennt keine Veröffentlichung von Code oder Konstruktionsdateien.

Zusammenfassung

In diesem Paper schlagen wir eine neuartige taumelscheibenlose Elevon-Aktuierung (SEA) für zweirotorige Tail-Sitter-Senkrechtstarter (VTOL) als unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) vor. Im Gegensatz zur konventionellen Elevon-Aktuierung (CEA), die sowohl Nicken als auch Gieren mit Elevons steuert, setzt die SEA taumelscheibenlose Mechanismen ein, um über Modulation der Motordrehzahl ein zusätzliches Moment zur Nicksteuerung zu erzeugen, und nutzt die Elevons ausschließlich zur Giersteuerung, ohne zusätzliche Aktuatoren zu benötigen. Diese entkoppelte Steuerungsstrategie mildert die Sättigung des Elevon-Ausschlags, der für große Nick- und Gierstellaktionen nötig ist, und verbessert so die Regelungsleistung des UAV bei der Trajektorienfolge und bei der Störunterdrückung unter großen äußeren Störungen. Darüber hinaus überwindet die SEA die Verschlechterung der Aktuierung, die bei der CEA auftritt, wenn sich das UAV in Bodennähe befindet, was zu einem sanfteren und stabileren Startvorgang führt. Wir validieren und vergleichen die Leistungen von SEA und CEA unter verschiedenen realen Flugbedingungen, darunter Start, Trajektorienfolge sowie Schwebeflug und Positionssprünge unter äußerer Störung. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die SEA bessere Leistungen erbringt als die CEA. Darüber hinaus überprüfen wir die Umsetzbarkeit der SEA im Lagewechsel und im Flug im Starrflügelmodus des VTOL-UAV. Die Ergebnisse zeigen, dass die SEA das Nicken auch bei schnell anströmender Luft genau steuern und während des Flugs im Starrflügelmodus eine stabile Lage halten kann. Videos aller Experimente finden sich unter youtube.com/watch?v=Sx9Rk4Zf7sQ

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