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

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

许可协议

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以下内容均依据论文全文，按其 CC BY 4.0 许可协议使用；其中的图已注明作者。

一句话总结

俯仰控制从升降副翼转移到由电机转速调制驱动的被动式无斜盘旋翼桨毂：一架 2.25 kg 的双旋翼尾座式飞行器在起飞、跟踪和抗风方面表现更好，且没有增加作动器

为何重要

由于俯仰由旋翼负责，升降副翼的行程可以留给偏航和抗扰，并且俯仰力矩不依赖于流过升降副翼的螺旋桨气流，因此贴近地面起飞时仍保持稳定。这是在不增加电机或舵机的情况下实现的，保留了双旋翼布局；论文指出，这种布局比四旋翼尾座式飞行器更便宜、更轻、更便携。

问题

双旋翼尾座式 VTOL 无人机（UAV）通常用升降副翼同时控制俯仰和偏航（传统升降副翼作动方式，CEA），而大面积的机翼主要在这两个轴上受风。两个方向上的大控制需求会使有限的升降副翼偏转饱和，导致控制性能下降或飞行器失稳。在贴近地面时，螺旋桨下洗气流受到干扰，因此升降副翼在起飞过程中会失去控制力矩，俯仰可能变得不稳定。

提出的方法

无斜盘-升降副翼作动方式（SEA）在每个电机上安装一个被动式无斜盘机构：由磁编码器读取的旋翼角度确定时序，对电机转速进行正弦调制，使非对称铰接的桨叶周期性地改变桨距，从而产生俯仰力矩。滚转来自差动推力，偏航仅由升降副翼产生，在 PX4 中加入的定制混控器以 1 kHz 运行，将期望的推力和力矩映射为电机油门和舵机角度。改进后的桨毂增加了滚珠轴承和推力轴承，以减少铰链摩擦。

关键见解

• 被动式无斜盘桨毂仅凭电机转速调制就能产生俯仰力矩，因此俯仰控制无需增加作动器。
• 将俯仰交给旋翼桨毂、偏航交给升降副翼，可以防止机翼在两个轴上同时受到大扰动时升降副翼发生饱和。
• 无斜盘力矩与流过舵面的螺旋桨气流无关，因此起飞时的地面效应不会削弱它。
• SEA 混控器以 IMU 速率运行，该速率被设为 1 kHz，以免丢失 910 Hz 的编码器读数；DShot600 ESC 协议 26.7 µs 的延迟足够短，可以进行高频转速调制。
• 铰链中的滚珠轴承和推力轴承使力矩输出比原始无斜盘设计更平滑、更线性，响应也更快。

主要结果

• 位置控制下的起飞：SEA 的位置误差为 0.04 m，而 CEA 为 0.79 m（5.1%），CEA 的俯仰误差达到 14.7°。
• 姿态控制下的起飞：SEA 的最大俯仰误差为 1.4°，而 CEA 从地面起飞时为 8.6°，从垫高的台座起飞时为 2.1°。
• 8 字形轨迹跟踪（2 m × 1 m，持续偏航），SEA 对 CEA：位置误差中位数 14.17 cm 对 15.35 cm（最大 38.91 对 40.64 cm），偏航误差中位数 19.5° 对 27.1°（最大 87.9° 对 119.3°）。
• 在约 4.5 m/s 的均衡风扇阵风中悬停：x 方向位置误差中位数 1.77 cm 对 3.83 cm（最大 6.60 对 7.92 cm）；CEA 的俯仰误差中位数略小（1.09° 对 1.32°），但最大值更大（5.78° 对 4.08°）。
• 单侧风下的位置阶跃：在向前阶跃中，CEA 出现俯仰振荡，偏航误差最高达 31.2°，滚转误差最高达 8.2°，而 SEA 没有振荡；在横向阶跃中，CEA 的最大偏航误差为 22.1°，SEA 为 8.4°。
• 使用 SEA 的户外转换和固定翼飞行：转换过程跟踪无超调，速度达到 9.6 m/s，转换后滚转最大误差为 5.3°，偏航最大误差为 3.8°。第 IV-D 节给出固定翼俯仰设定值为 -65°（机翼与水平面成 35°），随后又称俯仰“始终保持在 65°”。

局限

• 在固定翼飞行中没有对 SEA 与 CEA 进行定量比较；作者引用了此前对 CEA 固定翼飞行的验证，只展示了 SEA 的可行性。
• 在固定翼飞行中，滚转（电机）和偏航（升降副翼）在设定值附近出现轻微振动，在转换后不久最大，作者表示这可能来自气流扰动。
• 在悬停的均衡风条件下，CEA 的俯仰误差中位数略小于 SEA（1.09° 对 1.32°）。
• 桨叶惯性延迟常数 γ₀ 必须事先根据测试台数据进行标定。
• 所有结果都来自一架定制机体（Hong He），室内位置反馈来自 Vicon 动作捕捉系统；论文没有单独的局限性章节。

对领域的影响

荣获 IROS 2023 机器人机构与设计最佳论文奖（由 ROBOTIS 赞助），并入围 IROS 2023 最佳综合论文奖和最佳学生论文奖决选；被引用 12 次。作者发布了所有实验的视频；论文没有发布代码或设计文件。

摘要

在本文中，我们为双旋翼尾座式垂直起降（VTOL）无人机（UAV）提出了一种新颖的无斜盘-升降副翼作动方式（SEA）。传统升降副翼作动方式（CEA）用升降副翼同时控制俯仰和偏航；与之不同，SEA 采用无斜盘机构，通过电机转速调制产生额外力矩来控制俯仰，而升降副翼仅用于控制偏航，且不需要额外的作动器。这种解耦的控制策略缓解了大幅俯仰和偏航控制动作所需的升降副翼偏转饱和问题，从而提高了无人机在轨迹跟踪方面的控制性能，以及在存在较大外部扰动时的抗扰性能。此外，SEA 克服了 CEA 在无人机贴近地面时所经历的作动性能下降问题，使起飞过程更平稳、更稳定。我们在多种真实世界飞行条件下验证并比较了 SEA 与 CEA 的性能，包括起飞、轨迹跟踪，以及外部扰动下的悬停飞行和位置阶跃。实验结果表明，SEA 的性能优于 CEA。此外，我们验证了 SEA 在该 VTOL 无人机的姿态转换过程和固定翼模式飞行中的可行性。结果表明，SEA 能够在高速来流存在时精确控制俯仰，并在固定翼模式飞行中保持稳定的姿态。所有实验的视频见 youtube.com/watch?v=Sx9Rk4Zf7sQ

链接

• 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