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

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

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Articolo: CC BY 4.0

Tutto ciò che segue si basa sull'articolo completo secondo la sua licenza CC BY 4.0; la figura è riportata citando gli autori.

In breve

Il beccheggio passa dagli elevoni a mozzi rotore passivi senza piatto oscillante azionati dalla modulazione della velocità del motore: un tail-sitter birotore da 2,25 kg decolla, insegue traiettorie e respinge il vento meglio, senza attuatori aggiuntivi

Perché è importante

Con il beccheggio affidato ai rotori, l'escursione degli elevoni resta disponibile per l'imbardata e la reiezione dei disturbi, e il momento di beccheggio non dipende dal flusso d'aria delle eliche sugli elevoni, quindi il decollo vicino al suolo resta stabile. Il tutto si ottiene senza motori o servo aggiuntivi, mantenendo la configurazione birotore che, come osserva l'articolo, è più economica, leggera e trasportabile dei tail-sitter quadrirotore.

Problema

Gli UAV VTOL tail-sitter birotore di solito controllano sia il beccheggio sia l'imbardata con gli elevoni (attuazione a elevoni convenzionale, CEA), e l'ala di grandi dimensioni prende vento soprattutto su questi due assi. Forti richieste di controllo in entrambe le direzioni saturano la limitata deflessione degli elevoni, degradando il controllo o destabilizzando il velivolo. Vicino al suolo il flusso indotto delle eliche è disturbato, quindi gli elevoni perdono momento di controllo durante il decollo e il beccheggio può diventare instabile.

Soluzione proposta

L'attuazione a elevoni senza piatto oscillante (SEA) monta un meccanismo passivo senza piatto oscillante su ogni motore: una modulazione sinusoidale della velocità del motore, sincronizzata dalla lettura dell'angolo del rotore tramite un encoder magnetico, fa variare ciclicamente il passo di pale con cerniere asimmetriche e produce un momento di beccheggio. Il rollio deriva dalla spinta differenziale, l'imbardata dai soli elevoni, e un mixer personalizzato aggiunto a PX4 gira a 1 kHz per tradurre la spinta e i momenti desiderati in comandi di gas dei motori e angoli dei servo. Il mozzo migliorato aggiunge cuscinetti a sfere e cuscinetti reggispinta per ridurre l'attrito delle cerniere.

Idee chiave

Un mozzo passivo senza piatto oscillante produce un momento di beccheggio solo con la modulazione della velocità del motore, quindi il controllo del beccheggio non richiede alcun attuatore aggiuntivo.
Affidare il beccheggio ai mozzi dei rotori e l'imbardata agli elevoni impedisce che gli elevoni vadano in saturazione quando l'ala subisce forti disturbi su entrambi gli assi.
Il momento senza piatto oscillante è indipendente dal flusso d'aria delle eliche sulle superfici di controllo, quindi l'effetto suolo al decollo non lo degrada.
Il mixer della SEA gira alla frequenza dell'IMU, impostata a 1 kHz per non perdere le letture dell'encoder a 910 Hz, e il ritardo di 26,7 µs del protocollo ESC DShot600 è abbastanza breve per la modulazione di velocità ad alta frequenza.
Cuscinetti a sfere e cuscinetti reggispinta nelle cerniere danno un'uscita di momento più regolare e lineare e una risposta più rapida rispetto al progetto originale senza piatto oscillante.

Risultati principali

Decollo in controllo di posizione: errore di posizione di 0,04 m con SEA contro 0,79 m con CEA (5,1 %), con un errore di beccheggio della CEA che ha raggiunto 14,7°.
Decollo in controllo di assetto: errore massimo di beccheggio di 1,4° con SEA, contro 8,6° della CEA da terra e 2,1° della CEA da un piedistallo rialzato.
Inseguimento di una traiettoria a otto (2 m × 1 m, imbardata continua): errore di posizione mediano di 14,17 cm contro 15,35 cm (max 38,91 contro 40,64 cm) ed errore di imbardata mediano di 19,5° contro 27,1° (max 87,9° contro 119,3°), SEA contro CEA.
Volo stazionario sotto una raffica bilanciata di ventilatore di circa 4,5 m/s: errore mediano di posizione in x di 1,77 cm contro 3,83 cm (max 6,60 contro 7,92 cm); la CEA ha avuto un errore mediano di beccheggio leggermente inferiore (1,09° contro 1,32°) ma un massimo maggiore (5,78° contro 4,08°).
Gradini di posizione con vento da un solo lato: nel gradino in avanti la CEA ha mostrato oscillazioni di beccheggio, errore di imbardata fino a 31,2° ed errore di rollio fino a 8,2°, senza oscillazioni per la SEA; nel gradino laterale l'errore massimo di imbardata è stato di 22,1° per la CEA contro 8,4° per la SEA.
Transizione e volo ad ala fissa all'aperto con SEA: la transizione è stata seguita senza sovraelongazione, la velocità ha raggiunto 9,6 m/s e gli errori massimi dopo la transizione sono stati di 5,3° in rollio e 3,8° in imbardata. La Sezione IV-D indica il setpoint di beccheggio ad ala fissa come -65° (ala a 35° rispetto all'orizzontale) e poi afferma che il beccheggio 'è sempre rimasto a 65°'.

Limiti

La SEA non è stata confrontata quantitativamente con la CEA nel volo ad ala fissa; gli autori citano una precedente verifica del volo ad ala fissa con CEA e mostrano solo la fattibilità della SEA.
Nel volo ad ala fissa, il rollio (motori) e l'imbardata (elevoni) hanno mostrato lievi vibrazioni attorno ai setpoint, massime subito dopo la transizione, che secondo gli autori potrebbero derivare da disturbi del flusso d'aria.
Con vento bilanciato in volo stazionario, la CEA ha avuto un errore mediano di beccheggio leggermente inferiore alla SEA (1,09° contro 1,32°).
La costante di ritardo dovuta all'inerzia delle pale γ₀ deve essere calibrata in anticipo a partire da dati al banco prova.
Tutti i risultati provengono da un'unica cellula personalizzata (Hong He), con retroazione di posizione al chiuso da un sistema di motion capture Vicon; l'articolo non ha una sezione separata sulle limitazioni.

Impatto sul settore

Vincitore dell'IROS 2023 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design (sponsorizzato da ROBOTIS) e finalista dei premi IROS 2023 Best Overall Paper e Best Student Paper; citato 12 volte. Gli autori pubblicano un video di tutti gli esperimenti; l'articolo non indica alcun rilascio di codice o file di progetto.

Abstract

In questo articolo proponiamo una nuova attuazione a elevoni senza piatto oscillante (swashplateless-elevon actuation, SEA) per veicoli aerei senza pilota (UAV) tail-sitter birotore a decollo e atterraggio verticale (VTOL). A differenza dell'attuazione a elevoni convenzionale (CEA), che controlla sia il beccheggio sia l'imbardata tramite gli elevoni, la SEA adotta meccanismi senza piatto oscillante per generare un momento aggiuntivo tramite la modulazione della velocità del motore con cui controllare il beccheggio e usa gli elevoni solo per controllare l'imbardata, senza richiedere attuatori aggiuntivi. Questa strategia di controllo disaccoppiata attenua la saturazione della deflessione degli elevoni necessaria per grandi azioni di controllo di beccheggio e imbardata, migliorando così le prestazioni di controllo dell'UAV nell'inseguimento di traiettoria e nella reiezione dei disturbi in presenza di forti disturbi esterni. Inoltre, la SEA supera i problemi di degrado dell'attuazione che la CEA presenta quando l'UAV è molto vicino al suolo, portando a un decollo più fluido e stabile. Convalidiamo e confrontiamo le prestazioni di SEA e CEA in varie condizioni di volo reali, tra cui decollo, inseguimento di traiettoria, volo stazionario e gradini di posizione sotto disturbo esterno. I risultati sperimentali dimostrano che la SEA ha prestazioni migliori della CEA. Verifichiamo inoltre la fattibilità della SEA nel processo di transizione di assetto e nel volo in modalità ad ala fissa dell'UAV VTOL. I risultati indicano che la SEA può controllare con precisione il beccheggio in presenza di un flusso d'aria incidente ad alta velocità e mantenere un assetto stabile durante il volo in modalità ad ala fissa. Il video di tutti gli esperimenti è disponibile su youtube.com/watch?v=Sx9Rk4Zf7sQ

Link

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