[논문 리뷰] An Experimental Study of Wind Resistance and Power Consumption in MAVs with a Low-Speed Multi-Fan Wind System

Diana A. Olejnik, Sunyi Wang외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 14.

Biomimetic flight and propulsion mechanisms인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실험용 MAV 테스트를 위한 개방소스이자 저비용의 다중 팬 풍동을 제안한다. 이 시스템은 일정한 바람과 돌풍 조건을 제어할 수 있도록 설계되었으며, 진동익 MAV와 큐브로터의 실험 결과, 진동익 MAV는 더 높은 피치 각도가 필요하고 고속 바람에서 양력의 이점을 얻는 반면, CrazyFlie는 더 안정적인 전력 소비와 더 빠른 돌풍 반응을 보이며, 이는 MAV의 바람에 대한 내성 향상에 시스템의 가치를 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실내 MAV 테스트를 위한 저비용, 개방소스, 개방 하드웨어 다중 팬 풍동 시스템을 개발하는 것.
• 통제된 일정한 바람과 돌풍 조건에서 진동익 및 로터크래ft MAV의 바람에 대한 저항성과 전력 소비를 평가하는 것.
• 실제 바람이 있는 환경에서 MAV 비행 제어를 향상시키기 위한 확장 가능하고 접근 가능한 실험 플랫폼을 제공하는 것.
• 바람 방해 조건 하에서 생물학적으로 영감을 얻은 진동익 MAV와 전통적인 큐브로터 간의 기계적 및 에너지 성능을 비교하는 것.

제안 방법

• 시스템은 15개 모듈로 구성된 135개 축방향 팬을 사용하며, 각 모듈은 PWM 제어 및 터보메터 피드백을 위한 독립형 AVR 기반 마이크로컨트롤러를 탑재하고 있다.
• 풍속은 라즈베리 파이를 통해 개별 팬 제어를 통해 조절되며, 일정한 바람과 주기적인 돌풍을 정밀하게 조절할 수 있다.
• 시스템은 0.5 m/s에서 3.4 m/s의 풍속을 생성하며, 팬 속도를 루프로 조절하여 0.125 Hz, 0.25 Hz, 0.5 Hz의 주기로 돌풍을 유도한다.
• 비행 데이터는 두 대의 MAV에서 수집되며, 배터리 전압, 전류 및 상태 추정치가 포함된다: 진동익 'Flapper'과 큐브로터 'CrazyFlie'이다.
• 실험은 두 단계로 진행된다: 다양한 속도로 일정한 바람과 주기적인 바람 돌풍을 통한 조건에서의 실험.
• 데이터 분석은 피치 각도, 위치, 전력 소비의 시계열 추적을 포함하며, 평균 전력 추세를 근사하기 위해 세차 곡선 스플라인을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일정한 바람이 향하는 조건에서 진동익 MAV와 큐브로터 MAV는 피치 각도 반응에서 어떻게 다를까?
• RQ2 진동익 MAV와 로터크래프트 MAV에서 바람 속도와 전력 소비 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 다양한 주파수(0.125 Hz, 0.25 Hz, 0.5 Hz)의 주기적 바람 돌풍에 대해 MAV는 어떻게 반응하는가?
• RQ4 제안된 다중 팬 풍동 시스템은 실생활 바람 조건을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 고속 바람 상황에서 진동익 MAV의 안정성과 제어 성능에 영향을 주는 설계적 제약은 무엇인가?

주요 결과

• 진동익 'Flapper'는 더 큰 날개 표면적 덕분에 바람을 상쇄하기 위해 'CrazyFlie'보다 훨씬 높은 피치 각도가 필요하다.
• 2.7 m/s 이상의 바람 속도에서 'Flapper'의 전력 소비는 최소 12.7 W로 감소하며, 날개에서 유용한 양력이 발생하고 있음을 시사한다.
• 'CrazyFlie' 큐브로터는 바람 속도에 관계없이 약 8.8 W의 일정한 전력 소비를 유지하며, 바람 변화에 덜 민감함을 보였다.
• 'CrazyFlie'는 'Flapper'보다 바람 돌풍에 더 빠르게 반응하는 것으로 나타났으며, 3.4 m/s의 일정한 바람에서도 조차 위치를 유지하기 어려운 'Flapper'와 대비된다.
• 'Flapper'의 자세 제어 시스템은 고피치 각도(>40°)에서 제한을 받으며, 안정적인 수평 비행을 위해 자세에 따른 추력 매핑이 필요하다.
• 두 MAV 모두 돌풍 반응에 개선 여지가 있으며, 이는 제안된 개방 하드웨어 풍동을 통해 검증된 고급 제어 알고리즘의 필요성을 강조한다.