[논문 리뷰] Demonstration of an Aerial and Submersible Vehicle Capable of Flight and Underwater Navigation with Seamless Air-Water Transition

Marco M. Maia, Parth V. Soni외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 07.

Biomimetic flight and propulsion mechanisms참고 문헌 13인용 수 73

한 줄 요약

이 논문은 생물학적 영감을 받은 운동 방식과 다중 매질 추진 시스템을 활용하여 공기와 물 사이에서 원활하고 빠른 전환을 가능하게 하는, 처음으로 기능하는 공중 및 잠수 드론을 제시한다. 이 차량은 양호한 설계로 양력, 추진력, 무게, 중성 부력이 균형을 이루며 안정적인 비행과 수중 항해, 자율적인 공기-물-공기 전환을 실현하여 기능하는 프로토타입을 통해 입증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자율적이고 원활한 공중 비행과 수중 항해 간 전환 기능을 갖춘 차량을 개발하는 것.
• 단일 플랫폼으로 공기와 물에서 효율적으로 작동하기 위한 기술적 과제를 극복하는 것.
• 통합 추진 및 부력 시스템을 사용하여 다중 회전익 비행 안정성과 수중 수영 능력을 통합하는 것.
• 비행 및 수중에서의 이동성, 신뢰성, 전환 속도를 유지하는 프로토타입을 시연하는 것.

제안 방법

• 비행과 수영 역학을 통합하기 위해 생물학적 영감을 받은 운동력 분석을 적용한다.
• 변동 가능한 추진력 메커니즘을 사용하여 공기와 물에서 모두 효율적으로 작동하는 새로운 다중 매질 추진 시스템을 개발한다.
• 비행에 적합한 양력과 추진력과 수중 수영에 적합한 추진력과 중성 부력을 균형 잡히게 설계한다.
• 유속에 적합한 형상과 경량, 밀폐된 기구를 통해 매체 간 빠른 전환을 가능하게 한다.
• 전환 단계 동안 자세와 추진력을 제어하는 알고리즘을 통해 안정성을 유지한다.
• 재구성 가능한 로터와 부력 조절 부품을 갖춘 다중 회전익 구조를 사용한 프로토타입를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 차량이 공기와 물 사이에서 안정적이고 제어 가능한 비행과 수중 항해를 수행하며 원활한 전환을 이룰 수 있는가?
• RQ2 어떤 설계 원칙이 두 가지 극명하게 다른 유체 매질에서 효율적인 작동을 가능하게 하는가?
• RQ3 비행과 수중 수영을 동시에 수행하기 위해 양력, 추진력, 무게, 부력을 한 플랫폼에서 어떻게 균형 잡을 수 있는가?
• RQ4 빠르고 안정적인 공기-물 전환을 가능하게 하는 추진 및 제어 전략은 무엇인가?
• RQ5 생물학적 영감을 받은 접근 방식이 단일 차량에서 비행과 수영 역학을 효과적으로 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토타입는 공기와 수중에서의 지속적인 비행과 안정적인 공기-물 간 전환을 성공적으로 시연하였다.
• 1초 미만의 시간 안에 원활한 공기-물 전환과 물-공기 전환을 달성하여 빠른 전환 능력을 입증하였다.
• 공기 중에서 안정적인 정지 비행과 수중에서의 깊이 및 자세 제어를 유지하였다.
• 다중 매질 추진 시스템은 낮은 밀도(공기)와 높은 밀도(물) 환경 모두에서 효과적인 추진력을 생성하였다.
• 물에서 중성 부력을 확보하면서도 수직 이륙 및 착륙을 위한 충분한 양력을 유지하였다.
• 생물학적 영감을 받은 원리로 비행 및 수중 수영 역학을 통합함으로써, 실용적인 통합형 공중-잠수 플랫폼을 실현하였다.