[논문 리뷰] Dynamics of Quadrotor UAVs for Aerial Networks: An Energy Perspective

Wael Jaafar, Halim Yanıkömeroğlu|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 16.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 14인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 항공망에서 다로터 UAV의 폐쇄형 에너지 및 배터리 동역학 모델을 제시한다. 이는 운동 제어, 통신, 무선 전력 전송(WPT)을 통합한 것으로, 모터 및 배터리 전기 모델을 활용하여 비행 중 에너지 소비와 레이저 충전 중 에너지 수확에 대한 정확한 표현을 유도한다. 그 결과 WPT가 20초간의 정지 통신 단계에서 최대 2%의 배터리 용량을 복구할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

In this letter, we present a model for quadrotor unmanned aerial vehicles (UAVs), including control, communication, and wireless charging. In so doing, we investigate associated energy and battery dynamics. Indeed, energy and battery expressions are derived by leveraging motors' and battery electrical models. Through an experiment, their performances are evaluated for different parameters. The objective is to provide a simple yet practical model of quadrotor UAV consumed/harvested energy and battery dynamics for researchers conducting work on energy-efficient aerial networks.

연구 동기 및 목표

• 신속한 항공망 응용 분야에서 리튬이온 배터리 제약으로 인한 짧은 비행 지속 시간이라는 핵심적 한계를 해결하기 위해.
• 에너지 효율적인 네트워크 설계를 위한 UAV 운동 동역학, 에너지 소비, 배터리 충전 상태를 연결하는 통합적이고 실용적인 모델을 개발하기 위해.
• 외부 힘(예: 바람)과 WPT가 3차원 비행 경로에서 에너지 소비 및 배터리 동역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 실제 비행 및 충전 조건에서 DJI Phantom 2 UAV를 사용하여 제안된 에너지 및 배터리 모델을 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 외부 힘 작용 하에서 3차원 UAV 비행을 기술하기 위해 로터 속도와 자세 각도(롤, 피치, 요)를 사용한 운동 제어 모델을 수립한다.
• 모터 전기적 및 토크 동역학을 기반으로 추진 에너지에 대한 폐쇄형 표현을 유도하며, 역기전력과 저항 효과를 포함한다.
• 경로 손실 및 효율성 모델링을 통한 분산형 레이저 충전(DLC)을 통한 통신 에너지(5 W) 및 무선 전력 전송(WPT)을 통합한다.
• 전기 회로 방정식을 사용하여 배터리 동역학을 모델링하며, 충전 전류(10 A), 정격 전압(11.1 V), 용량(배터리당 36,000 As)을 포함한다.
• 실제 조건을 시뮬레이션하기 위해 [100,50,50]에서 [160,80,100] m로의 3차원 경로를 설정하고, 일정한 바람 힘 [−5,3,−12.74] N을 적용한다.
• 동시 운동과 충전이 가능한 두 개의 독립적 3S 리치온 배터리를 포함한 하이브리드 배터리 구조를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 바람 힘이 수평 비행 및 수직 비행 중 다로터 UAV의 에너지 소비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 3차원 공간에서 경로를 이동할 때 로터 속도와 에너지 소비 간의 관계는 어떠한가?
• RQ3 레이저 기반 무선 전력 전송(DLC)은 정지 및 통신 중 배터리 방전 및 에너지 복구에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 하이브리드 운동-통신-WPT 시나리오에서 UAV의 비행 지속 시간을 최대화하기 위한 최적의 배터리 용량과 충전 전략은 무엇인가?
• RQ5 거리와 소스 전력에 따라 DLC의 수확된 에너지와 효율성은 어떻게 변하는가?

주요 결과

• 중력 영향으로 인해 수직 비행 중 에너지 소비가 크게 증가하며, 특히 z축 방향에서 가장 높은 에너지 소비가 관찰된다.
• 높은 로터 속도는 이동 시간을 단축시키지만 에너지 소비를 증가시키며, 정지 속도(956.29 rad/s) 근처에서 최고점에 도달하여 상충 관계를 보인다.
• 양의 y축 방향 바람 힘은 운동을 도와 에너지 소비를 감소시키지만, 반대 방향의 x축 힘은 필요 에너지를 증가시켜 방향 비대칭성을 보여준다.
• 통신과 함께 정지할 경우 이동 중보다 더 많은 에너지를 소비하며, 바람 힘이 0일 때 소비가 최소화되며, 파arabolic 에너지 프로파일을 보인다.
• DLC 소스에서의 거리가 증가할수록 경로 손실로 인해 수확된 에너지와 효율성이 떨어지지만, 소스 전력을 증가시킴으로써 개선할 수 있다.
• WPT는 20초간의 정지 및 통신 동안 10,800 As에서 2%의 순수 배터리 용량 증가를 가능하게 하여 실질적인 에너지 복구를 입증한다.