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

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

라이선스

• 오픈 액세스
• 논문: CC BY 4.0

아래 내용은 모두 논문의 라이선스(CC BY 4.0)에 따라 논문 전문을 바탕으로 하며, 그림에는 저자를 표기했습니다.

요약

피치 제어를 엘레본에서 모터 속도 변조로 구동되는 수동식 스와시플레이트 없는 로터 허브로 옮긴다: 2.25 kg 이중 로터 테일시터가 추가 액추에이터 없이 더 잘 이륙하고, 추종하고, 바람을 제거한다

중요한 이유

피치를 로터가 담당하므로 엘레본 가동 범위를 요와 교란 제거에 쓸 수 있고, 피치 모멘트가 엘레본 위를 지나는 프로펠러 기류에 의존하지 않아 지면 근처에서의 이륙이 안정적으로 유지된다. 이는 추가 모터나 서보 없이 달성되며, 논문이 쿼드로터 테일시터보다 저렴하고 가볍고 휴대하기 쉽다고 언급하는 이중 로터 구성을 유지한다.

문제

이중 로터 테일시터 VTOL UAV는 대개 엘레본으로 피치와 요를 모두 제어하며(기존 엘레본 구동, CEA), 큰 날개는 주로 이 두 축에서 바람을 받는다. 두 방향 모두에서 큰 제어 요구가 생기면 제한된 엘레본 변위가 포화되어 제어가 저하되거나 기체가 불안정해진다. 지면 근처에서는 프로펠러 하향류가 교란되어, 이륙 중 엘레본이 제어 모멘트를 잃고 피치가 불안정해질 수 있다.

제안 방법

스와시플레이트 없는 엘레본 구동(SEA)은 각 모터에 수동식 스와시플레이트 없는 메커니즘을 장착한다: 자기 엔코더로 읽은 로터 각도에 맞춰 시점을 정한 모터의 정현파 속도 변조가 비대칭 힌지 블레이드의 피치를 주기적으로 바꾸어 피치 모멘트를 만든다. 롤은 차동 추력에서, 요는 엘레본만으로 얻으며, PX4에 추가한 자체 믹서가 1 kHz로 실행되어 원하는 추력과 모멘트를 모터 스로틀과 서보 각도로 변환한다. 개선된 허브는 힌지 마찰을 줄이기 위해 볼 베어링과 스러스트 베어링을 추가한다.

핵심 통찰

• 수동식 스와시플레이트 없는 허브는 모터 속도 변조만으로 피치 모멘트를 만들어 내므로, 피치 제어에 추가 액추에이터가 필요 없다.
• 피치는 로터 허브로, 요는 엘레본으로 보내면 날개가 두 축 모두에서 큰 교란을 받을 때 엘레본이 포화되지 않는다.
• 스와시플레이트 없는 방식의 모멘트는 조종면 위를 지나는 프로펠러 기류와 무관하므로, 이륙 시 지면 효과에 의해 저하되지 않는다.
• SEA 믹서는 IMU 주기로 실행되며, 910 Hz 엔코더 측정값이 누락되지 않도록 1 kHz로 설정된다. DShot600 ESC 프로토콜의 26.7 µs 지연은 고주파 속도 변조에 충분히 짧다.
• 힌지에 볼 베어링과 스러스트 베어링을 넣으면 원래의 스와시플레이트 없는 설계보다 더 부드럽고 선형적인 모멘트 출력과 더 빠른 응답을 얻는다.

주요 결과

• 위치 제어 하의 이륙: 위치 오차 SEA 0.04 m, CEA 0.79 m(5.1%), CEA의 피치 오차는 14.7°에 달했다.
• 자세 제어 하의 이륙: 최대 피치 오차 SEA 1.4°, 지면에서 이륙한 CEA 8.6°, 높인 받침대에서 이륙한 CEA 2.1°.
• 8자 궤적 추종(2 m × 1 m, 연속 요): SEA 대 CEA로 위치 오차 중앙값 14.17 cm 대 15.35 cm(최대 38.91 대 40.64 cm), 요 오차 중앙값 19.5° 대 27.1°(최대 87.9° 대 119.3°).
• 약 4.5 m/s의 균형 잡힌 선풍기 돌풍 속 호버링: x 위치 오차 중앙값 1.77 cm 대 3.83 cm(최대 6.60 대 7.92 cm); CEA는 피치 오차 중앙값이 약간 더 작았지만(1.09° 대 1.32°) 최댓값은 더 컸다(5.78° 대 4.08°).
• 한쪽에서 부는 바람 속 위치 스텝: 전진 스텝에서 CEA는 피치 진동, 최대 31.2°의 요 오차, 최대 8.2°의 롤 오차를 보였고 SEA는 진동이 없었다; 측면 스텝에서 최대 요 오차는 CEA 22.1°, SEA 8.4°였다.
• SEA를 사용한 실외 전환 및 고정익 비행: 전환은 오버슈트 없이 추종되었고, 속도는 9.6 m/s에 도달했으며, 전환 후 최대 오차는 롤 5.3°, 요 3.8°였다. Section IV-D는 고정익 피치 설정값을 -65°(날개가 수평 대비 35°)로 제시한 뒤, 피치가 '항상 65°로 유지되었다'고 말한다.

한계

• 고정익 비행에서 SEA는 CEA와 정량적으로 비교되지 않았다; 저자들은 CEA 고정익 비행에 대한 이전 검증을 인용하고 SEA의 실현 가능성만 보인다.
• 고정익 비행에서 롤(모터)과 요(엘레본)는 설정값 주변에서 약간의 진동을 보였으며 전환 직후에 가장 컸는데, 저자들은 이것이 기류 교란에서 비롯되었을 수 있다고 말한다.
• 호버링 중 균형 잡힌 바람 하에서 CEA는 SEA보다 피치 오차 중앙값이 약간 작았다(1.09° 대 1.32°).
• 블레이드 관성 지연 상수 γ₀는 시험대 데이터로 사전에 보정해야 한다.
• 모든 결과는 하나의 자체 제작 기체(Hong He)에서 나왔으며, 실내 위치 피드백은 Vicon 모션 캡처 시스템이 제공했다; 논문에는 별도의 한계 섹션이 없다.

분야에 미친 영향

IROS 2023 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design(ROBOTIS 후원) 수상작이며, IROS 2023 Best Overall Paper와 Best Student Paper 최종 후보이다; 인용 수는 12회이다. 저자들은 모든 실험의 영상을 공개하며, 논문은 코드나 설계 파일 공개를 언급하지 않는다.

초록

본 논문에서는 이중 로터 테일시터 수직 이착륙(VTOL) 무인 항공기(UAV)를 위한 새로운 스와시플레이트 없는 엘레본 구동(SEA)을 제안한다. 엘레본으로 피치와 요를 모두 제어하는 기존 엘레본 구동(CEA)과 달리, SEA는 스와시플레이트 없는 메커니즘을 채택하여 모터 속도 변조를 통해 추가 모멘트를 생성해 피치를 제어하고, 엘레본은 요 제어에만 사용하며, 추가 액추에이터가 필요 없다. 이 분리된 제어 전략은 큰 피치 및 요 제어 동작에 필요한 엘레본 변위의 포화를 완화하여, 큰 외부 교란이 있을 때 궤적 추종과 교란 제거에서 UAV의 제어 성능을 향상시킨다. 또한 SEA는 UAV가 지면에 가까이 있을 때 CEA가 겪는 구동 성능 저하 문제를 극복하여, 더 부드럽고 안정적인 이륙 과정으로 이어진다. 우리는 이륙, 궤적 추종, 외부 교란 하의 호버링 비행 및 위치 스텝을 포함한 다양한 실제 비행 조건에서 SEA와 CEA의 성능을 검증하고 비교한다. 실험 결과는 SEA가 CEA보다 성능이 우수함을 보여준다. 나아가 VTOL UAV의 자세 전환 과정과 고정익 모드 비행에서 SEA의 실현 가능성을 검증한다. 결과는 SEA가 고속으로 유입되는 기류가 있을 때도 피치를 정확하게 제어하고 고정익 모드 비행 중 안정적인 자세를 유지할 수 있음을 보여준다. 모든 실험의 영상은 youtube.com/watch?v=Sx9Rk4Zf7sQ 에서 볼 수 있다.

링크

• 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