[論文レビュー] Morpheus: An A-sized AUV with morphing fins and algorithms for agile maneuvering

Supun Randeni, Michael Sacarny+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2022

Underwater Vehicles and Communication Systems被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、生物学的形状を模倣した可変形状のヒレを備えたAサイズの自律型水中航行機（AUV）であるMorpheusを提案する。前部ヒレを展開または収納させるとともに、アクティブなラダー制御を用いることで、AUVは旋回速度を35–50%向上させ、最大で35 deg/sに達した。これは、剛性船体型AUVにおいて対立する安定性と機動性の要件を、適応的水動的形状によって克服できることを示している。

ABSTRACT

We designed and constructed an A-sized base autonomous underwater vehicle (AUV), augmented with a stack of modular and extendable hardware and software, including autonomy, navigation, control and high fidelity simulation capabilities (A-size stands for the standard sonobuoy form factor, with a maximum diameter of 124 mm). Subsequently, we extended this base vehicle with a novel tuna-inspired morphing fin payload module (referred to as the Morpheus AUV), to achieve good directional stability and exceptional maneuverability; properties that are highly desirable for rigid hull AUVs, but are presently difficult to achieve because they impose contradictory requirements. The morphing fin payload allows the base AUV to dynamically change its stability-maneuverability qualities by using morphing fins, which can be deployed, deflected and retracted, as needed. The base vehicle and Morpheus AUV were both extensively field tested in-water in the Charles river, Massachusetts, USA; by conducting hundreds of hours of operations over a period of two years. The maneuvering capability of the Morpheus AUV was evaluated with and without the use of morphing fins to quantify the performance improvement. The Morpheus AUV was able to showcase an exceptional turning rate of around 25-35 deg/s. A maximum turn rate improvement of around 35% - 50% was gained through the use of morphing fins.

研究の動機と目的

• 剛性船体型AUVにおける方向安定性と機動性の間にある本質的トレードオフを克服すること。
• ソノブイ発射装置と互換性を持つモジュラーでAサイズのAUVベースプラットフォームの設計および実装すること。
• マグロの形状を模倣した可変形状ヒレペイロードを開発し、水動的安定性と制御能力をリアルタイムで調整可能にする。
• チャールズ川での広範な水中テストを通じて、可変形状ヒレの性能向上を検証すること。
• 解析的モデルと実測データを用いて、旋回速度の向上と安定性-機動性トレードオフの定量的評価を行うこと。

提案手法

• モジュラーな自律性、ナビゲーション、制御、シミュレーション機能を備えたAサイズのベースAUV（直径124 mm、全長約0.9 m）の設計。
• マグロの解剖学的特徴を模倣した、展開可能で、可動可能で、収納可能なヒレを備えた可変形状ヒルペイロードの実装。
• 線形水動力学理論を用いて安定性と機動性をモデル化し、ラダーおよび前部ヒレの寄与に起因する係数を更新。
• ラダーおよびヒレの位置依存項を含む、安定性インデックスC、ヨー率r/δ、水動的力（Y, N）の主要方程式を統合。
• ラダーおよび前部ヒレからの揚力とモーメント寄与を定量化するための制御面パラメータA = Yδ/UおよびB = Yfδ/Uの適用。
• 実地試験前のシステム検証のため、ハードウェアインザループ（HITL）およびソフトウェアインザループ（SITL）シミュレーションの統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変形状ヒレは、剛性船体型AUVにおける安定性-機動性トレードオフを動的に解消できるか？
• RQ2 可変形状ヒレを展開した場合と収納した場合とで、旋回速度にどの程度の定量的向上が見られるか？
• RQ3 前部可変形状ヒレのサイズ、位置、および偏角が、車体の安定性インデックスおよびヨー率にどのように影響するか？
• RQ4 前部ヒレの存在が、巡航効率を損なうことなく、十分に機動性を向上させるほど車体を不安定化させるか？
• RQ5 ラダーおよび前部ヒレの水動的係数が、全体の機動性に影響を与えるために、どの程度相互作用するか？

主な発見

• Morpheus AUVは、実環境条件下で最大25–35 deg/sの旋回速度を達成し、高い機動性を示した。
• 可変形状ヒレの使用により、展開されていないベースライン設定と比較して、最大旋回速度が35–50%向上した。
• 前部ヒレを展開した際、安定性インデックスCが顕著に低下し、ラダー入力に対する感度が向上し、機動性が強化された。
• 理論的モデリングにより、ラダーおよび前部ヒレの力の相互作用、特に項2AB(η² + ξ²)が、ヨー率の増加に最も強い寄与をしていることが確認された。
• ヒレを収納した際には方向安定性を維持し、急速な旋回時にはヒレを展開することで高い機動性を達成した。
• チャールズ川での200時間にわたる実地試験により、可変形状ヒレシステムの性能向上および耐障害性が、実海洋環境下で裏付けられた。