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

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

Licences

• Accès libre
• Article: CC BY 4.0

Tout ce qui suit s'appuie sur l'article complet sous sa licence CC BY 4.0 ; sa figure est montrée en citant les auteurs.

En bref

Le tangage passe des élevons à des moyeux de rotor passifs sans plateau cyclique pilotés par modulation de la vitesse des moteurs : un tail-sitter birotor de 2,25 kg décolle, suit les trajectoires et rejette le vent mieux, sans actionneur supplémentaire

Pourquoi c'est important

Le tangage étant assuré par les rotors, le débattement des élevons reste disponible pour le lacet et le rejet des perturbations, et le moment de tangage ne dépend pas du flux d'air de l'hélice sur les élevons, si bien que le décollage près du sol reste stable. Ce résultat est obtenu sans moteurs ni servos supplémentaires, en conservant la configuration birotor que l'article décrit comme moins chère, plus légère et plus transportable que les tail-sitters quadrirotors.

Problème

Les UAV VTOL tail-sitter birotors contrôlent généralement le tangage et le lacet avec les élevons (actionnement conventionnel par élevons, CEA), et la grande aile prend le vent principalement sur ces deux axes. De fortes demandes de commande dans les deux directions saturent le braquage limité des élevons, ce qui dégrade la commande ou déstabilise l'appareil. Près du sol, le souffle de l'hélice est perturbé, si bien que les élevons perdent du moment de commande au décollage et que le tangage peut devenir instable.

Solution proposée

L'actionnement par élevons sans plateau cyclique (SEA) monte un mécanisme passif sans plateau cyclique sur chaque moteur : une modulation sinusoïdale de la vitesse du moteur, synchronisée par la lecture de l'angle du rotor par un codeur magnétique, fait varier cycliquement le pas de pales articulées de façon asymétrique et produit un moment de tangage. Le roulis provient de la poussée différentielle, le lacet des seuls élevons, et un mélangeur personnalisé ajouté à PX4 tourne à 1 kHz pour convertir la poussée et les moments souhaités en commandes de gaz des moteurs et en angles des servos. Le moyeu amélioré ajoute des roulements à billes et des butées à billes pour réduire le frottement des articulations.

Idées clés

• Un moyeu passif sans plateau cyclique produit un moment de tangage par la seule modulation de la vitesse du moteur, de sorte que le contrôle en tangage ne nécessite aucun actionneur supplémentaire.
• Confier le tangage aux moyeux des rotors et le lacet aux élevons empêche les élevons de saturer lorsque l'aile subit de fortes perturbations sur les deux axes.
• Le moment produit sans plateau cyclique est indépendant du flux d'air de l'hélice sur les gouvernes, de sorte que l'effet de sol au décollage ne le dégrade pas.
• Le mélangeur SEA tourne à la fréquence de l'IMU, réglée à 1 kHz pour ne pas perdre les lectures du codeur à 910 Hz, et le retard de 26,7 µs du protocole ESC DShot600 est assez court pour une modulation de vitesse à haute fréquence.
• Des roulements à billes et des butées à billes dans les articulations donnent un moment plus régulier et plus linéaire ainsi qu'une réponse plus rapide que la conception originale sans plateau cyclique.

Principaux résultats

• Décollage en asservissement de position : erreur de position de 0,04 m avec SEA contre 0,79 m avec CEA (5,1 %), l'erreur de tangage du CEA atteignant 14,7°.
• Décollage en asservissement d'attitude : erreur de tangage maximale de 1,4° avec SEA, contre 8,6° pour CEA depuis le sol et 2,1° pour CEA depuis un socle surélevé.
• Suivi d'un huit (2 m × 1 m, lacet continu) : erreur de position médiane de 14,17 cm contre 15,35 cm (max. 38,91 contre 40,64 cm) et erreur de lacet médiane de 19,5° contre 27,1° (max. 87,9° contre 119,3°), SEA contre CEA.
• Vol stationnaire dans une rafale de ventilateur équilibrée d'environ 4,5 m/s : erreur médiane en position x de 1,77 cm contre 3,83 cm (max. 6,60 contre 7,92 cm) ; le CEA avait une erreur de tangage médiane légèrement plus faible (1,09° contre 1,32°) mais un maximum plus élevé (5,78° contre 4,08°).
• Échelons de position sous vent unilatéral : lors de l'échelon vers l'avant, le CEA a présenté une oscillation en tangage, une erreur de lacet jusqu'à 31,2° et une erreur de roulis jusqu'à 8,2°, sans oscillation pour le SEA ; lors de l'échelon latéral, l'erreur de lacet maximale était de 22,1° pour le CEA contre 8,4° pour le SEA.
• Transition et vol en voilure fixe en extérieur avec SEA : la transition a été suivie sans dépassement, la vitesse a atteint 9,6 m/s, et les erreurs maximales après transition étaient de 5,3° en roulis et 3,8° en lacet. La Section IV-D donne une consigne de tangage en voilure fixe de -65° (aile à 35° de l'horizontale), puis affirme que le tangage 'est toujours resté à 65°'.

Limites

• Le SEA n'a pas été comparé quantitativement au CEA en vol en voilure fixe ; les auteurs citent une vérification antérieure du vol en voilure fixe avec CEA et ne montrent que la faisabilité du SEA.
• En vol en voilure fixe, le roulis (moteurs) et le lacet (élevons) ont présenté de légères vibrations autour des consignes, maximales juste après la transition, que les auteurs attribuent possiblement à des perturbations du flux d'air.
• Sous vent équilibré en vol stationnaire, le CEA avait une erreur de tangage médiane légèrement plus faible que le SEA (1,09° contre 1,32°).
• La constante de retard d'inertie des pales γ₀ doit être étalonnée à l'avance à partir de données de banc d'essai.
• Tous les résultats proviennent d'une seule cellule construite sur mesure (Hong He), avec un retour de position en intérieur fourni par un système de capture de mouvement Vicon ; l'article n'a pas de section distincte consacrée aux limites.

Impact sur le domaine

Lauréat du IROS 2023 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design (parrainé par ROBOTIS) et finaliste pour IROS 2023 Best Overall Paper et Best Student Paper ; cité 12 fois. Les auteurs publient une vidéo de toutes les expériences ; l'article n'annonce aucune publication de code ni de fichiers de conception.

Résumé

Dans cet article, nous proposons un nouvel actionnement par élevons sans plateau cyclique (SEA) pour les véhicules aériens sans pilote (UAVs) à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) de type tail-sitter birotor. Contrairement à l'actionnement conventionnel par élevons (CEA), qui contrôle à la fois le tangage et le lacet avec les élevons, le SEA adopte des mécanismes sans plateau cyclique pour générer un moment supplémentaire par modulation de la vitesse des moteurs afin de contrôler le tangage, et utilise les élevons uniquement pour contrôler le lacet, sans nécessiter d'actionneurs supplémentaires. Cette stratégie de commande découplée atténue la saturation du braquage des élevons nécessaire aux grandes actions de commande en tangage et en lacet, améliorant ainsi les performances de commande de l'UAV en suivi de trajectoire et en rejet de perturbations en présence de fortes perturbations externes. En outre, le SEA surmonte les problèmes de dégradation de l'actionnement que connaît le CEA lorsque l'UAV est à proximité du sol, ce qui conduit à un décollage plus doux et plus stable. Nous validons et comparons les performances du SEA et du CEA dans diverses conditions de vol réelles, notamment le décollage, le suivi de trajectoire, ainsi que le vol stationnaire et les échelons de position sous perturbation externe. Les résultats expérimentaux montrent que le SEA offre de meilleures performances que le CEA. De plus, nous vérifions la faisabilité du SEA lors de la transition d'attitude et du vol en mode voilure fixe de l'UAV VTOL. Les résultats indiquent que le SEA peut contrôler précisément le tangage en présence d'un flux d'air incident à grande vitesse et maintenir une attitude stable pendant le vol en mode voilure fixe. La vidéo de toutes les expériences est disponible sur youtube.com/watch?v=Sx9Rk4Zf7sQ

Liens

• 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