[論文レビュー] Experimental method for perching flapping-wing aerial robots

Raphael Zufferey, Daniel Feliu-Talegón+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2023

Biomimetic flight and propulsion mechanismsEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、発射装置、制御されたフラッピング飛行、リアルタイムでの脚によるずれ補正、および二安定性クチの組み合わせによる誘導飛行経路を用いて、700 gのフラッピングウイング・オルニトプターが枝に自律的に着陸できる制御された実験的手法を提示する。この手法により、最小限の衝撃力で損傷なしに9回中6回の成功が達成され、屋外・長距離飛行を実現するための重要な一歩を示した。

ABSTRACT

In this work, we present an experimental setup and guide to enable the perching of large flapping-wing robots. The combination of forward flight, limited payload, and flight oscillations imposes challenging conditions for localized perching. The described method details the different operations that are concurrently performed within the 4 second perching flight. We validate this experiment with a 700 g ornithopter and demonstrate the first autonomous perching flight of a flapping-wing robot on a branch. This work paves the way towards the application of flapping-wing robots for long-range missions, bird observation, manipulation, and outdoor flight.

研究の動機と目的

• 屋内・制限付き条件下で、大型フラッピングウイングロボットの着陸を繰り返し、制御可能な実験的セットアップを構築すること。
• 前進飛行の要件、限られたペイロード、大型オルニトプターにおける垂直振動の影響により、枝への着陸が困難であるという課題に対処すること。
• 飛行ダイナミクスの統合的制御、ビジュアルベースの枝検出、および機械的クチ作動の統合により、自律的着陸を可能にすること。
• 700 gのオルニトプターを用いてこの手法を検証し、枝への自律的着陸飛行を達成した初の事例を示すこと。
• 将来的な屋外・ビジュアルベースの着陸応用（鳥観察、操作、長距離ミッションなど）の基盤を築くこと。

提案手法

• 2 mの二重レール式発射装置が、700 gのオルニトプターを一貫した速度と方向で4 m/sまで加速し、繰り返し可能な飛行開始を実現する。
• 搭載された三重ループPI制御器がピッチ角を30°に維持し、制御されたフラッピング周波数により高度を制御することで、2.5–3 m/sの安定飛行を達成する。
• 脚のクチに搭載されたリアルタイム光学検出システムが50 Hzのフィードバックを脚マイコンに供給し、アプローチ中に枝に合わせてクチの角度を調整する。
• 枝からの距離が150 cmに達すると、飛行位置の誤差がある中でもターゲティング精度を向上させるために、脚によるずれ補正が開始される。
• 枝からの距離が20 cmに達すると、フラッピングが停止され、25 msで閉じる二安定性クチ（2 Nmのトルク）が作動し、ロボットを固定する。
• クチに設けられたソフトなシリコーンパッドとスパイクが、重心のずれを補償し、分離を防ぐのに十分な摩擦を発揮する。

Figure 1: Side view of a typical perching flight experiment. The robotic birds are accelerated by a launching system to 4 m/s. The birds then separate from the launcher and start the controlled flight phase, where the altitude, pitch, yaw and speed is regulated by an autopilot through elevator, rudd

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 前進飛行と垂直振動の影響がある中で、大型フラッピングウイングロボットが一貫性を持った着地を達成するには、どのような方法が必要か？
• RQ2 最小限の衝撃力で着陸を実現するための制御および機械的戦略は何か？
• RQ3 リアルタイムでの脚によるずれ補正は、着地精度の向上にどの程度効果的か？
• RQ4 十分なトルクと摩擦を持つ二安定性クチシステムは、フラッピングウイングロボットの着陸中に信頼性を持って固定を可能にするか？
• RQ5 制御された条件下で繰り返し試行された場合、全着陸シーケンスの性能と耐障害性はどの程度か？

主な発見

• 実験的手法により、700 gのフラッピングウイング・オルニトプターが2 mの高さの枝に9回の試行のうち6回成功して自律的着陸を達成した。
• 飛行軌道は、飛行距離8–12 mの範囲で2 mの高度目標に到達し、最大平均垂直誤差は16 cmであった。
• 横方向の位置誤差は60 cmを rarely 超え、着地に必要な飛行制御精度が十分に確保されていることを示した。
• 着陸直前の低速（2.5–3 m/s）により、衝撃力が150 N未満に抑えられ、損傷リスクが最小限に抑えられた。
• すべての成功した着陸飛行で損傷が生じず、2番目のロボットは再調整なしに着陸を達成した。これにより、システムの耐障害性が確認された。
• 二安定性クチシステムは25 msで閉じ、シリコーンパッドとスパイクによる摩擦が重心のずれを効果的に補償した。