[論文レビュー] TJ-FlyingFish: Design and Implementation of an Aerial-Aquatic Quadrotor with Tiltable Propulsion Units

Xuchen Liu, Minghao Dou+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2023

Underwater Vehicles and Communication Systems被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、効率的な空中および水中運用を可能にする、傾き可変の二段階速度駆動方式を備えたクアッドロプタードローン「TJ-FlyingFish」を提案する。独立した推力ベクトル制御と二段階速度ギアボックスを採用することで、特にヨー運動および水平運動において水中での優れた機動性を実現しながら、空中性能を妥協せずに維持する。これは、クロスドメイン無人航空機の実用的解決策を示している。

ABSTRACT

Aerial-aquatic vehicles are capable to move in the two most dominant fluids, making them more promising for a wide range of applications. We propose a prototype with special designs for propulsion and thruster configuration to cope with the vast differences in the fluid properties of water and air. For propulsion, the operating range is switched for the different mediums by the dual-speed propulsion unit, providing sufficient thrust and also ensuring output efficiency. For thruster configuration, thrust vectoring is realized by the rotation of the propulsion unit around the mount arm, thus enhancing the underwater maneuverability. This paper presents a quadrotor prototype of this concept and the design details and realization in practice.

研究の動機と目的

• 空気と水中という流体の性質が著しく異なる環境において、両方で効率的に動作可能な1台の車両を設計する課題に取り組む。
• 従来の多旋翼空海両用ドローンが、固定または結合された推力ベクトル制御機構により水中での機動性に欠けるという制限を克服する。
• 独立した傾き可変機構と二段階速度ギアボックスを導入することで、異なる流体環境に適した推力効率と制御の柔軟性を向上させる。
• 独立した推力ベクトル制御により、姿勢運動と並進運動の間の結合を低減し、水中での正確な制御を可能にする。
• 実験的検証を通じて、両ドメインで優れた機動性を示すハイブリッド空海両用クアッドロプターの実用的妥当性を示す。

提案手法

• モーターの前後逆転駆動により、空気中では高回転・低トルク、水中では低回転・高トルクの両運転モードを切り替える二段階速度ギアボックスを実装する。
• 回転アームに取り付けた傾き可変プロペラユニットを設計し、ヨー運動と垂直運動の制御を独立して行うことで、推力ベクトルの独立制御を実現する。
• ジョイスティック入力を、[π/6, 5π/6] の範囲内でアームの傾き角度に変換する制御マッピング戦略（式7）を用いる。
• UWB（Nooploop Linktrack S）を水中位置測定に活用するため、UWBモジュールを水中から上部に延長し、地上ベースの姿勢および位置データと融合する。
• 非標準的な水中推力ベクトル制御とアンダーアクチュエート特性に対応するため、PX4ベースのフライトコントローラに制御論理を変更して統合する。
• 構造的質量を低減し、空中性能への影響を最小限に抑えるとともに、防水性を確保するための軽量防水化最適化を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのプロペラシステムが、低密度の空気と高密度の水中の両方で十分な推力を効率的に発生させることは可能か？
• RQ2 従来のトルク制御ヨー方式と比較して、独立した推力ベクトル制御は水中での機動性をどの程度向上させるか？
• RQ3 空気中および水中での標準的マルチローター運用と比較して、二段階速度プロペラの性能的トレードオフは何か？
• RQ4 水中飛行時における推力ベクトル制御は、姿勢運動と並進運動の動的結合にどのように影響を与えるか？
• RQ5 UWBを用いた水中位置測定は、水中環境における制御検証のための正確なリアルタイムフィードバックを提供できるか？

主な発見

• 二段階速度ギアボックスは、空中性能に悪影響を及げることなく、水中での高トルク・低回転運転を可能にすることで、水中推力効率を顕著に向上させた。
• 独立した傾き可変アームによる推力ベクトル制御により、トルク制御ヨーと比較してヨー速度が約4〜5倍向上し、より高速かつ正確な姿勢制御が可能になった。
• ジョイスティック入力と水平速度の間の位相遅れは、ピッチ制御方式の約113°から、推力ベクトル方式では約43°にまで短縮され、水中での制御系の応答性が著しく向上した。
• 推力ベクトルのキャンセルによる最大速度の低下は見られるが、推力ベクトル制御により水中環境における微調整や姿勢制御のための優れた制御能力が得られた。
• ジョイスティックによるスロットルとヨー入力の連携制御により、水中での安定した飛行が実現し、ヨー運動中でもz方向位置を維持した。
• 実験結果から、傾き可変プロペラ機構がヨー運動と垂直運動の間の結合を効果的に解消しており、従来のクアッドロプターが水中環境で抱える主な制限要因を解決していることが確認された。