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

Licenças

Acesso aberto
Artigo: CC BY 4.0

Tudo o que segue se baseia no artigo completo sob a licença CC BY 4.0; sua figura é mostrada com crédito aos autores.

Em resumo

A arfagem passa dos elevons para cubos de rotor passivos sem prato oscilante acionados por modulação da velocidade do motor: um tail-sitter birrotor de 2,25 kg decola, rastreia trajetórias e rejeita vento melhor, sem atuadores adicionais

Por que importa

Com a arfagem a cargo dos rotores, o curso dos elevons fica disponível para a guinada e a rejeição de perturbações, e o momento de arfagem não depende do fluxo de ar das hélices sobre os elevons, então a decolagem perto do solo continua estável. Isso é obtido sem motores ou servos extras, mantendo a configuração birrotor que, segundo o artigo, é mais barata, leve e portátil que os tail-sitters quadrirrotor.

Problema

UAVs VTOL tail-sitter birrotor geralmente controlam tanto a arfagem quanto a guinada com elevons (atuação de elevons convencional, CEA), e a asa grande pega vento principalmente nesses dois eixos. Grandes demandas de controle nas duas direções saturam a deflexão limitada dos elevons, degradando o controle ou desestabilizando o veículo. Perto do solo, o fluxo descendente das hélices é perturbado, então os elevons perdem momento de controle durante a decolagem e a arfagem pode se tornar instável.

Solução proposta

A atuação de elevons sem prato oscilante (SEA) monta um mecanismo passivo sem prato oscilante em cada motor: uma modulação senoidal da velocidade do motor, sincronizada pela leitura do ângulo do rotor por um encoder magnético, faz pás com dobradiças assimétricas mudarem de passo ciclicamente e produz um momento de arfagem. A rolagem vem do empuxo diferencial, a guinada apenas dos elevons, e um mixer personalizado adicionado ao PX4 roda a 1 kHz para mapear o empuxo e os momentos desejados em aceleração dos motores e ângulos dos servos. O cubo aprimorado adiciona rolamentos de esferas e mancais de pressão para reduzir o atrito das dobradiças.

Principais ideias

Um cubo passivo sem prato oscilante produz um momento de arfagem apenas pela modulação da velocidade do motor, então o controle de arfagem não precisa de nenhum atuador adicional.
Enviar a arfagem para os cubos dos rotores e a guinada para os elevons impede que os elevons saturem quando a asa recebe grandes perturbações nos dois eixos.
O momento sem prato oscilante é independente do fluxo de ar das hélices sobre as superfícies de controle, então o efeito solo na decolagem não o degrada.
O mixer da SEA roda na taxa da IMU, ajustada em 1 kHz para que as leituras do encoder a 910 Hz não sejam perdidas, e o atraso de 26,7 µs do protocolo de ESC DShot600 é curto o suficiente para a modulação de velocidade em alta frequência.
Rolamentos de esferas e mancais de pressão nas dobradiças dão uma saída de momento mais suave e linear e resposta mais rápida que o projeto original sem prato oscilante.

Principais resultados

Decolagem sob controle de posição: erro de posição de 0,04 m com SEA contra 0,79 m com CEA (5,1 %), com o erro de arfagem da CEA chegando a 14,7°.
Decolagem sob controle de atitude: erro máximo de arfagem de 1,4° com SEA, contra 8,6° da CEA a partir do solo e 2,1° da CEA a partir de um pedestal elevado.
Rastreamento em oito (2 m × 1 m, guinada contínua): erro de posição mediano de 14,17 cm contra 15,35 cm (máx. 38,91 contra 40,64 cm) e erro de guinada mediano de 19,5° contra 27,1° (máx. 87,9° contra 119,3°), SEA contra CEA.
Voo pairado sob uma rajada equilibrada de ventilador de cerca de 4,5 m/s: erro mediano de posição em x de 1,77 cm contra 3,83 cm (máx. 6,60 contra 7,92 cm); a CEA teve erro mediano de arfagem ligeiramente menor (1,09° contra 1,32°), mas um máximo maior (5,78° contra 4,08°).
Degraus de posição com vento de um só lado: no degrau para frente a CEA apresentou oscilação de arfagem, erro de guinada de até 31,2° e erro de rolagem de até 8,2°, sem oscilação para a SEA; no degrau lateral o erro máximo de guinada foi de 22,1° com CEA contra 8,4° com SEA.
Transição e voo de asa fixa ao ar livre com SEA: a transição foi rastreada sem sobressinal, a velocidade chegou a 9,6 m/s e os erros máximos após a transição foram de 5,3° em rolagem e 3,8° em guinada. A Seção IV-D dá o setpoint de arfagem em asa fixa como -65° (asa a 35° da horizontal) e depois diz que a arfagem 'sempre permaneceu em 65°'.

Limitações

A SEA não foi comparada quantitativamente com a CEA em voo de asa fixa; os autores citam uma verificação anterior do voo de asa fixa com CEA e mostram apenas a viabilidade da SEA.
Em voo de asa fixa, a rolagem (motores) e a guinada (elevons) apresentaram leves vibrações em torno dos setpoints, maiores logo após a transição, que segundo os autores podem vir de perturbações do fluxo de ar.
Sob vento equilibrado em voo pairado, a CEA teve erro mediano de arfagem ligeiramente menor que a SEA (1,09° contra 1,32°).
A constante de atraso por inércia das pás γ₀ precisa ser calibrada com antecedência a partir de dados de bancada de testes.
Todos os resultados vêm de uma única aeronave personalizada (Hong He), com realimentação de posição em ambiente interno a partir de um sistema de captura de movimento Vicon; o artigo não tem uma seção separada de limitações.

Impacto na área

Vencedor do IROS 2023 Best Paper Award on Robot Mechanisms and Design (patrocinado pela ROBOTIS) e finalista dos prêmios IROS 2023 Best Overall Paper e Best Student Paper; citado 12 vezes. Os autores publicam um vídeo de todos os experimentos; o artigo não informa nenhuma liberação de código ou de arquivos de projeto.

Resumo

Neste artigo, propomos uma nova atuação de elevons sem prato oscilante (swashplateless-elevon actuation, SEA) para veículos aéreos não tripulados (UAVs) tail-sitter birrotor de decolagem e pouso vertical (VTOL). Ao contrário da atuação de elevons convencional (CEA), que controla tanto a arfagem quanto a guinada usando elevons, a SEA adota mecanismos sem prato oscilante para gerar um momento extra por meio da modulação da velocidade do motor para controlar a arfagem e usa os elevons apenas para controlar a guinada, sem exigir atuadores adicionais. Essa estratégia de controle desacoplada atenua a saturação da deflexão dos elevons necessária para grandes ações de controle de arfagem e guinada, melhorando assim o desempenho de controle do UAV no rastreamento de trajetória e na rejeição de perturbações na presença de grandes perturbações externas. Além disso, a SEA supera os problemas de degradação da atuação enfrentados pela CEA quando o UAV está muito próximo do solo, resultando em um processo de decolagem mais suave e estável. Validamos e comparamos o desempenho da SEA e da CEA em várias condições reais de voo, incluindo decolagem, rastreamento de trajetória, voo pairado e degraus de posição sob perturbação externa. Os resultados experimentais demonstram que a SEA tem desempenho melhor que a CEA. Além disso, verificamos a viabilidade da SEA no processo de transição de atitude e no voo em modo asa fixa do UAV VTOL. Os resultados indicam que a SEA consegue controlar a arfagem com precisão na presença de fluxo de ar incidente em alta velocidade e manter uma atitude estável durante o voo em modo asa fixa. O vídeo de todos os experimentos pode ser visto em youtube.com/watch?v=Sx9Rk4Zf7sQ

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