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

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

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Acceso abierto
Artículo: CC BY 4.0

Todo lo que sigue se basa en el artículo completo bajo su licencia CC BY 4.0; su figura se muestra con crédito a los autores.

En resumen

El cabeceo pasa de los elevones a bujes de rotor pasivos sin plato oscilante accionados por modulación de la velocidad del motor: un tail-sitter birrotor de 2,25 kg despega, sigue trayectorias y rechaza el viento mejor, sin actuadores añadidos

Por qué importa

Con el cabeceo a cargo de los rotores, el recorrido de los elevones queda disponible para la guiñada y el rechazo de perturbaciones, y el momento de cabeceo no depende del flujo de aire de las hélices sobre los elevones, por lo que el despegue cerca del suelo sigue siendo estable. Esto se consigue sin motores ni servos adicionales, manteniendo la configuración birrotor que, según señala el artículo, es más barata, ligera y portátil que los tail-sitters cuadrirrotor.

Problema

Los UAV VTOL tail-sitter birrotor suelen controlar tanto el cabeceo como la guiñada con elevones (actuación de elevones convencional, CEA), y el ala grande capta viento principalmente en esos dos ejes. Las grandes demandas de control en ambas direcciones saturan la limitada deflexión de los elevones, lo que degrada el control o desestabiliza el vehículo. Cerca del suelo, la corriente descendente de las hélices se perturba, por lo que los elevones pierden momento de control durante el despegue y el cabeceo puede volverse inestable.

Solución propuesta

La actuación de elevones sin plato oscilante (SEA) monta un mecanismo pasivo sin plato oscilante en cada motor: una modulación sinusoidal de la velocidad del motor, sincronizada mediante la lectura del ángulo del rotor por un codificador magnético, hace que unas palas con bisagras asimétricas cambien su paso de forma cíclica y produce un momento de cabeceo. El alabeo procede del empuje diferencial, la guiñada solo de los elevones, y un mezclador propio añadido a PX4 funciona a 1 kHz para convertir el empuje y los momentos deseados en aceleraciones de los motores y ángulos de los servos. El buje mejorado añade rodamientos de bolas y cojinetes de presión para reducir la fricción de las bisagras.

Ideas clave

Un buje pasivo sin plato oscilante produce un momento de cabeceo solo con la modulación de la velocidad del motor, por lo que el control de cabeceo no necesita ningún actuador añadido.
Asignar el cabeceo a los bujes de los rotores y la guiñada a los elevones evita que los elevones se saturen cuando el ala recibe grandes perturbaciones en ambos ejes.
El momento sin plato oscilante es independiente del flujo de aire de las hélices sobre las superficies de control, por lo que el efecto suelo en el despegue no lo degrada.
El mezclador de la SEA funciona a la frecuencia de la IMU, fijada en 1 kHz para que no se pierdan las lecturas del codificador a 910 Hz, y el retardo de 26,7 µs del protocolo ESC DShot600 es lo bastante corto para la modulación de velocidad de alta frecuencia.
Los rodamientos de bolas y los cojinetes de presión en las bisagras dan una salida de momento más suave y lineal y una respuesta más rápida que el diseño original sin plato oscilante.

Resultados principales

Despegue con control de posición: error de posición de 0,04 m con SEA frente a 0,79 m con CEA (5,1 %), y el error de cabeceo de la CEA llegó a 14,7°.
Despegue con control de actitud: error máximo de cabeceo de 1,4° con SEA, frente a 8,6° de la CEA desde el suelo y 2,1° de la CEA desde un pedestal elevado.
Seguimiento de un ocho (2 m × 1 m, guiñada continua): error de posición mediano de 14,17 cm frente a 15,35 cm (máx. 38,91 frente a 40,64 cm) y error de guiñada mediano de 19,5° frente a 27,1° (máx. 87,9° frente a 119,3°), SEA frente a CEA.
Vuelo estacionario bajo una ráfaga equilibrada de ventilador de unos 4,5 m/s: error mediano de posición en x de 1,77 cm frente a 3,83 cm (máx. 6,60 frente a 7,92 cm); la CEA tuvo un error mediano de cabeceo ligeramente menor (1,09° frente a 1,32°), pero un máximo mayor (5,78° frente a 4,08°).
Escalones de posición con viento de un solo lado: en el escalón hacia delante la CEA mostró oscilación en cabeceo, error de guiñada de hasta 31,2° y error de alabeo de hasta 8,2°, sin oscilación con la SEA; en el escalón lateral el error máximo de guiñada fue de 22,1° con CEA frente a 8,4° con SEA.
Transición y vuelo de ala fija en exteriores con SEA: la transición se siguió sin sobreoscilación, la velocidad alcanzó 9,6 m/s y los errores máximos tras la transición fueron de 5,3° en alabeo y 3,8° en guiñada. La Sección IV-D da como consigna de cabeceo en ala fija -65° (ala a 35° respecto a la horizontal) y después dice que el cabeceo 'se mantuvo siempre en 65°'.

Limitaciones

La SEA no se comparó cuantitativamente con la CEA en vuelo de ala fija; los autores citan una verificación anterior del vuelo de ala fija con CEA y solo muestran la viabilidad de la SEA.
En vuelo de ala fija, el alabeo (motores) y la guiñada (elevones) mostraron ligeras vibraciones en torno a las consignas, mayores justo después de la transición, que según los autores pueden deberse a perturbaciones del flujo de aire.
Con viento equilibrado en vuelo estacionario, la CEA tuvo un error mediano de cabeceo ligeramente menor que la SEA (1,09° frente a 1,32°).
La constante de retardo por inercia de las palas γ₀ debe calibrarse de antemano a partir de datos de banco de pruebas.
Todos los resultados proceden de un único fuselaje propio (Hong He), con realimentación de posición en interiores a partir de un sistema de captura de movimiento Vicon; el artículo no tiene una sección separada de limitaciones.

Impacto en el campo

Ganador del IROS 2023 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design (patrocinado por ROBOTIS) y finalista de los premios IROS 2023 Best Overall Paper y Best Student Paper; citado 12 veces. Los autores publican un vídeo de todos los experimentos; el artículo no indica ninguna publicación de código ni de archivos de diseño.

Resumen

En este artículo proponemos una nueva actuación de elevones sin plato oscilante (swashplateless-elevon actuation, SEA) para vehículos aéreos no tripulados (UAV) tail-sitter birrotor de despegue y aterrizaje vertical (VTOL). A diferencia de la actuación de elevones convencional (CEA), que controla tanto el cabeceo como la guiñada con los elevones, la SEA adopta mecanismos sin plato oscilante para generar un momento adicional mediante la modulación de la velocidad del motor con el que controlar el cabeceo, y usa los elevones únicamente para controlar la guiñada, sin requerir actuadores adicionales. Esta estrategia de control desacoplada mitiga la saturación de la deflexión de los elevones necesaria para grandes acciones de control de cabeceo y guiñada, mejorando así el rendimiento de control del UAV en el seguimiento de trayectorias y el rechazo de perturbaciones en presencia de grandes perturbaciones externas. Además, la SEA supera los problemas de degradación de la actuación que sufre la CEA cuando el UAV está muy cerca del suelo, lo que da lugar a un proceso de despegue más suave y estable. Validamos y comparamos el rendimiento de la SEA y la CEA en diversas condiciones de vuelo reales, incluidos el despegue, el seguimiento de trayectorias y el vuelo estacionario y los escalones de posición bajo perturbaciones externas. Los resultados experimentales demuestran que la SEA tiene un mejor rendimiento que la CEA. Además, verificamos la viabilidad de la SEA en el proceso de transición de actitud y en el vuelo en modo de ala fija del UAV VTOL. Los resultados indican que la SEA puede controlar con precisión el cabeceo en presencia de un flujo de aire incidente a alta velocidad y mantener una actitud estable durante el vuelo en modo de ala fija. El vídeo de todos los experimentos puede verse en youtube.com/watch?v=Sx9Rk4Zf7sQ

Enlaces

arXiv 2309.13559: https://arxiv.org/abs/2309.13559
DOI 10.1109/IROS55552.2023.10341861: https://doi.org/10.1109/IROS55552.2023.10341861
PDF: https://arxiv.org/pdf/2309.13559v1