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

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

ライセンス

• オープンアクセス
• 論文: CC BY 4.0

以下の内容はすべて、論文のライセンス（CC BY 4.0）に従い論文全文に基づいています。図は著者のクレジットを付けて掲載しています。

要約

ピッチ制御をエレボンから、モータ回転数の変調で駆動する受動的なスワッシュプレートレスのロータハブに移す。2.25 kg のデュアルロータのテールシッターは、アクチュエータを追加することなく、離陸、追従、耐風性能が向上した

重要な理由

ピッチをロータが担うため、エレボンの可動範囲をヨーと外乱抑制に使え、ピッチモーメントはエレボン上を流れるプロペラ後流に依存しないので、地面近くでの離陸も安定する。これを追加のモータやサーボなしで実現しており、論文がクアッドロータのテールシッターより安価、軽量、可搬性が高いと述べるデュアルロータ構成を保っている。

課題

デュアルロータのテールシッター型 VTOL UAV は通常、ピッチとヨーの両方をエレボンで制御し（従来のエレボン駆動、CEA）、大きな翼は主にこの 2 軸で風を受ける。両方向に大きな制御が求められると限られたエレボンの舵角が飽和し、制御が劣化したり機体が不安定になったりする。地面近くではプロペラの吹き下ろしが乱されるため、離陸中にエレボンは制御モーメントを失い、ピッチが不安定になりうる。

提案手法

スワッシュプレートレス・エレボン駆動（SEA）は、各モータに受動的なスワッシュプレートレス機構を取り付ける。磁気エンコーダで読み取ったロータ角度に合わせてモータ回転数を正弦波状に変調すると、非対称にヒンジ結合されたブレードのピッチが周期的に変わり、ピッチモーメントが生じる。ロールは差動推力から、ヨーはエレボンのみから得る。PX4 に追加した独自のミキサが 1 kHz で動作し、目標の推力とモーメントをモータのスロットルとサーボ角に割り当てる。改良したハブではヒンジの摩擦を減らすため、玉軸受とスラスト軸受を追加している。

主な知見

• 受動的なスワッシュプレートレスハブはモータ回転数の変調だけでピッチモーメントを生み出すため、ピッチ制御にアクチュエータを追加する必要がない。
• ピッチをロータハブに、ヨーをエレボンに割り当てることで、翼が両軸で大きな外乱を受けたときにエレボンが飽和するのを防げる。
• スワッシュプレートレスのモーメントは舵面上のプロペラ後流とは無関係なので、離陸時の地面効果によって低下しない。
• SEA のミキサは IMU のレートで動作し、910 Hz のエンコーダの読み取りを取りこぼさないよう 1 kHz に設定されている。DShot600 ESC プロトコルの 26.7 µs の遅延は、高周波の回転数変調に十分短い。
• ヒンジに玉軸受とスラスト軸受を用いることで、元のスワッシュプレートレス設計よりも滑らかで線形なモーメント出力と速い応答が得られる。

主な結果

• 位置制御下での離陸：位置誤差は SEA で 0.04 m、CEA で 0.79 m（5.1%）で、CEA のピッチ誤差は 14.7° に達した。
• 姿勢制御下での離陸：最大ピッチ誤差は SEA で 1.4°、CEA では地面から 8.6°、高くした台座から 2.1°。
• 8 の字の軌道追従（2 m × 1 m、連続的なヨー）、SEA 対 CEA：位置誤差の中央値 14.17 cm 対 15.35 cm（最大 38.91 対 40.64 cm）、ヨー誤差の中央値 19.5° 対 27.1°（最大 87.9° 対 119.3°）。
• 約 4.5 m/s の均衡したファンによる突風下でのホバリング：x 方向の位置誤差の中央値 1.77 cm 対 3.83 cm（最大 6.60 対 7.92 cm）。CEA はピッチ誤差の中央値がわずかに小さかった（1.09° 対 1.32°）が、最大値は大きかった（5.78° 対 4.08°）。
• 片側からの風の下での位置ステップ：前方へのステップでは、CEA にピッチの振動が見られ、ヨー誤差は最大 31.2°、ロール誤差は最大 8.2° だったが、SEA には振動はなかった。横方向のステップでは最大ヨー誤差は CEA で 22.1°、SEA で 8.4°。
• SEA による屋外での遷移と固定翼飛行：遷移はオーバーシュートなしに追従し、速度は 9.6 m/s に達し、遷移後の最大誤差はロールで 5.3°、ヨーで 3.8° だった。第 IV-D 節では固定翼時のピッチ目標値を -65°（翼は水平に対して 35°）としたうえで、ピッチは「常に 65° に保たれた」と述べている。

制限事項

• 固定翼飛行では SEA と CEA の定量的な比較は行われていない。著者らは CEA の固定翼飛行についての以前の検証を引用し、SEA については実現可能性を示すにとどまっている。
• 固定翼飛行では、ロール（モータ）とヨー（エレボン）が目標値の周りでわずかに振動し、遷移直後に最大となった。著者らはこれが気流の乱れによるものかもしれないとしている。
• ホバリング中の均衡した風の下では、CEA のほうが SEA よりピッチ誤差の中央値がわずかに小さかった（1.09° 対 1.32°）。
• ブレードの慣性による遅れ定数 γ₀ は、試験台のデータから事前に較正する必要がある。
• すべての結果は 1 機の独自機体（Hong He）によるもので、屋内での位置フィードバックは Vicon のモーションキャプチャシステムから得ている。論文には独立した限界の節はない。

分野への影響

IROS 2023 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design（ROBOTIS 提供）を受賞し、IROS 2023 Best Overall Paper と Best Student Paper のファイナリストにもなった。被引用数は 12 である。著者らはすべての実験の動画を公開しているが、論文ではコードや設計ファイルの公開については示されていない。

概要

本論文では、デュアルロータのテールシッター型垂直離着陸（VTOL）無人航空機（UAV）のための新しいスワッシュプレートレス・エレボン駆動（SEA）を提案する。ピッチとヨーの両方をエレボンで制御する従来のエレボン駆動（CEA）とは異なり、SEA はスワッシュプレートレス機構を採用してモータ回転数の変調により追加のモーメントを生成してピッチを制御し、エレボンはヨーの制御にのみ用いる。追加のアクチュエータは必要ない。この分離された制御戦略により、大きなピッチとヨーの制御動作に必要なエレボン舵角の飽和が緩和され、軌道追従における UAV の制御性能と、大きな外乱があるときの外乱抑制性能が向上する。さらに SEA は、UAV が地面に近いときに CEA で生じる駆動性能の低下の問題を克服し、より滑らかで安定した離陸過程をもたらす。離陸、軌道追従、外乱下でのホバリング飛行と位置ステップを含むさまざまな実世界の飛行条件で、SEA と CEA の性能を検証・比較した。実験結果は、SEA が CEA よりも優れた性能をもつことを示している。さらに、VTOL UAV の姿勢遷移過程と固定翼モード飛行における SEA の実現可能性も検証した。その結果、SEA は高速の流入気流があってもピッチを正確に制御でき、固定翼モードの飛行中も安定した姿勢を維持できることが示された。すべての実験の動画は youtube.com/watch?v=Sx9Rk4Zf7sQ にある

リンク

• 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