[論文レビュー] Demonstration of an Aerial and Submersible Vehicle Capable of Flight and Underwater Navigation with Seamless Air-Water Transition

Marco M. Maia, Parth V. Soni+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2015

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 13被引用数 73

ひとこと要約

本論文は、生物学的インスピレーションを受けて多様な媒体用推進システムを採用し、空気と水中を滑らかで迅速に遷移できる、最初の完全に機能する空中・水中両用ドローンを提示する。この車両は、揚力、推力、重量、中立浮力のバランスを取った設計により、安定した飛行、水中航行、および自律的かつ滑らかな空気-水-空気の遷移を実現し、動作するプロトタイプによって実証された。

ABSTRACT

Bio-inspired vehicles are currently leading the way in the quest to produce a vehicle capable of flight and underwater navigation. However, a fully functional vehicle has not yet been realized. We present the first fully functional vehicle platform operating in air and underwater with seamless transition between both mediums. These unique capabilities combined with the hovering, high maneuverability and reliability of multirotor vehicles, results in a disruptive technology for both civil and military application including air/water search and rescue, inspection, repairs and survey missions among others. The invention was built on a bio-inspired locomotion force analysis that combines flight and swimming. Three main advances in the present work has allowed this invention. The first is the discovery of a seamless transition method between air and underwater. The second is the design of a multi-medium propulsion system capable of efficient operation in air and underwater. The third combines the requirements for lift and thrust for flight (for a given weight) and the requirements for thrust and neutral buoyancy (in water) for swimming. The result is a careful balance between lift, thrust, weight, and neutral buoyancy implemented in the vehicle design. A fully operational prototype demonstrated the flight, and underwater navigation capabilities as well as the rapid air/water and water/air transition.

研究の動機と目的

• 自律的かつ滑らかな空気中飛行と水中航行の間の遷移が可能な車両の開発。
• 1つのプラットフォームで空気と水中の両方で効率的に動作させるための工学的課題の克服。
• 統一された推進および浮力制御システムを用いて、マルチローター飛行の安定性と水中遊泳能力を統合。
• 両媒体で操縦性、信頼性、遷移速度を維持するプロトタイプの実証。

提案手法

• 飛行と遊泳の力学を統合するために、生物学的インスピレーションを受けて開発されたロケモーション力解析を採用。
• 変動推力機構を用いて、空気および水中の両環境で効率的に動作する、画期的な多様体推進システムを実装。
• 飛行では揚力と推力を、水中遊泳では推力と中立浮力をバランスさせる設計。
• 水密性で軽量な空力的形状のフレームにより、媒体間の迅速な遷移を可能に。
• 遷移段階中の姿勢と推力を制御するアルゴリズムにより、安定性を維持。
• 再構成可能なプロペラと浮力調整部品を備えたマルチローター構造をプロトタイプで採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの車両が、空気と水中の間で安定的かつ制御可能な飛行と水中航行を実現し、空気-水-空気への滑らかな遷移を達成できるか？
• RQ2 2つの全く異なる流体媒体で効率的に動作させるために、どのような設計原則が必要か？
• RQ3 1つのプラットフォームで揚力、推力、重量、浮力をどのようにバランスさせるか？
• RQ4 高速かつ安定した空気-水中遷移を実現するための推進および制御戦略は何か？
• RQ5 生物学的インスピレーションに基づくアプローチは、1つの車両で飛行と遊泳のメカニズムを効果的に統合できるか？

主な発見

• プロトタイプは、空気中での持続的飛行と水中航行を実現し、空気と水中の間で安定した遷移を示した。
• 1秒未満で空気-水中および水中-空気への遷移が達成され、高速遷移能力が確認された。
• 空気中では安定したホバリングを維持し、水中では深さと姿勢を制御した。
• 多様体推進システムにより、低密度（空気）および高密度（水）の両環境で効果的な推力を発生させた。
• 水中で中立浮力を達成するとともに、垂直離着陸に必要な十分な揚力を維持した。
• 生物学的インスピレーションに基づく飛行と遊泳の力学統合により、機能的でワンツールの空中・水中両用プラットフォームが実現された。