[論文レビュー] An Experimental Study of Wind Resistance and Power Consumption in MAVs with a Low-Speed Multi-Fan Wind System

Diana A. Olejnik, Sunyi Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2022

Biomimetic flight and propulsion mechanisms被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、実験的 MAV 測定に適したオープンソースで低コストの多ファン風力システムを提示している。このシステムにより、安定した風況および突風を制御して再現可能である。フラッピングウイング MAV およびクアッドコプターの実験から、フラッパーは高いピッチ角を必要とし、風速が高くなると揚力の恩恵を受けるのに対し、CrazyFlie はより安定した消費電力と速い突風応答を示す。本システムの価値は、MAV の風耐性向上に貢献するものである。

ABSTRACT

This paper discusses a low-cost, open-source and open-hardware design and performance evaluation of a low-speed, multi-fan wind system dedicated to micro air vehicle (MAV) testing. In addition, a set of experiments with a flapping wing MAV and rotorcraft is presented, demonstrating the capabilities of the system and the properties of these different types of drones in response to various types of wind. We performed two sets of experiments where a MAV is flying into the wake of the fan system, gathering data about states, battery voltage and current. Firstly, we focus on steady wind conditions with wind speeds ranging from 0.5 m/s to 3.4 m/s. During the second set of experiments, we introduce wind gusts, by periodically modulating the wind speed from 1.3 m/s to 3.4 m/s with wind gust oscillations of 0.5 Hz, 0.25 Hz and 0.125 Hz. The "Flapper" flapping wing MAV requires much larger pitch angles to counter wind than the "CrazyFlie" quadrotor. This is due to the Flapper's larger wing surface. In forward flight, its wings do provide extra lift, considerably reducing the power consumption. In contrast, the CrazyFlie's power consumption stays more constant for different wind speeds. The experiments with the varying wind show a quicker gust response by the CrazyFlie compared with the Flapper drone, but both their responses could be further improved. We expect that the proposed wind gust system will provide a useful tool to the community to achieve such improvements.

研究の動機と目的

• 屋内 MAV 測定に適した低コストでオープンソースかつオープンハードウェアの多ファン風力システムの開発。
• 制御された安定風および突風条件下でのフラッピングウイング MAV およびロータークルーラー MAV の風耐性および消費電力の評価。
• 実世界の風の環境における MAV 飛行制御の向上に向けたスケーラブルでアクセス可能な実験プラットフォームの提供。
• 風の乱れ下におけるバイオインスパイアドフラッピングウイング MAV と従来のクアッドコプターの空力的およびエネルギー的性能の比較。

提案手法

• システムは15のモジュールに分けられた135台の軸流ファンで構成され、各モジュールには独立した AVR ベースのマイコン制御と PWM 制御、タコメータフィードバックが備わっている。
• 風速はラズベリーパイを用いた個々のファン制御により調整され、安定風および周期的突風の精密な調整が可能である。
• システムは風速を 0.5 m/s から 3.4 m/s に生成し、ファン速度のループ制御により 0.125 Hz、0.25 Hz、0.5 Hz の突風を発生させる。
• フラッピングウイングの 'Flapper' およびクアッドコプターの 'CrazyFlie' の2台の MAV から、バッテリー電圧、電流、状態推定値などの飛行データを収集する。
• 実験は2段階に分けられる：風速を変化させた安定風実験と、制御された振動周波数の周期的突風実験。
• データ解析には、ピッチ角、位置、消費電力の時間系列追跡を実施し、平均消費電力のトレンドを近似するために三次スプライン補間が用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定した風向きの風下で、フラッピングウイング MAV とクアッドコプター MAV は、ピッチ角応答においてどのように異なるか？
• RQ2 風速とフラッピングウイング MAV とロータークルーラー MAV の間の消費電力の関係は何か？
• RQ3 周波数が異なる周期的突風（0.125 Hz、0.25 Hz、0.5 Hz）に対して MAV はどのように応答するか？
• RQ4 提案された多ファン風力システムは、MAV 測定に適した現実的な風況を効果的に再現できるか？
• RQ5 高風速状況下で、フラッピングウイング MAV の安定性および制御性能に影響を及える設計上の制限要因は何か？

主な発見

• フラッピングウイングの 'Flapper' は、大きな翼面積のため、風を打ち負かすために 'CrazyFlie' よりも顕著に高いピッチ角を必要とする。
• 風速が 2.7 m/s を超えると、Flapper の消費電力は最小値 12.7 W に低下し、翼からの有益な揚力発生が示唆される。
• 'CrazyFlie' は風速の変化に対してほとんど感受性がなく、約 8.8 W の一定した消費電力を維持しており、風変動への感受性が低いことが示された。
• 'CrazyFlie' は 'Flapper' よりも風の突風に対してより速やかに応答する。'Flapper' は 3.4 m/s の安定風でも位置を維持できず苦戦している。
• 'Flapper' の姿勢制御システムは、ピッチ角が 40° を超えると制限を受けるため、安定した水平飛行を実現するには姿勢依存の推力マッピングが必要となる。
• 両 MAV とも突風応答に改善の余地があるため、提案されたオープンハードウェア風洞上で検証された高度な制御アルゴリズムの開発が不可欠である。