[논문 리뷰] Experimental method for perching flapping-wing aerial robots

Raphael Zufferey, Daniel Feliu-Talegón외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 04.

Biomimetic flight and propulsion mechanismsEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 700g의 깃 Wing을 가진 조류형 비행기의 지속적인 비행, 제어된 비행, 실시간 다리 기반의 불일치 보정, 이중 안정성 클립을 포함한 유도 비행 시퀀스를 통해 가지에 자율적으로 착지시키는 제어 실험 방법을 제시한다. 이 방법은 9회의 시험 중 6회에서 성공적인 착지 성과를 거두었으며, 최소한의 충격력과 손상 없이 구현되어 실외 및 장거리 깃 Wing 로봇 임무를 햖थ한 핵심 단계를 보여준다.

ABSTRACT

In this work, we present an experimental setup and guide to enable the perching of large flapping-wing robots. The combination of forward flight, limited payload, and flight oscillations imposes challenging conditions for localized perching. The described method details the different operations that are concurrently performed within the 4 second perching flight. We validate this experiment with a 700 g ornithopter and demonstrate the first autonomous perching flight of a flapping-wing robot on a branch. This work paves the way towards the application of flapping-wing robots for long-range missions, bird observation, manipulation, and outdoor flight.

연구 동기 및 목표

• 실내 제약 조건 하에서 큰 깃 Wing 로봇의 착지를 반복 가능하고 제어 가능한 실험 설정을 개발하기 위해.
• 큰 조류형 비행기의 전방 비행 요구 조건, 제한된 허용 적재량, 그리고 수직 진동으로 인해 가지에 착지하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 비행 역학 제어, 시각 기반 가지 탐지, 기계적 클립 작동의 통합 제어를 통해 자율 착지를 가능하게 하기 위해.
• 700g의 조류형 비행기를 대상으로 실험하여, 가지에 자율 착지 비행을 처음으로 실현하기 위해.
• 향후 실외에서 시각 기반의 착지 응용 분야, 예를 들어 새 관찰, 물체 조작, 장거리 임무 등에 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 2m 길이의 이중 레일 발사대가 700g의 조류형 비행기를 일관된 속도와 방향으로 4m/s까지 가속화하여 반복 가능한 비행 시작을 보장한다.
• 기내에 장착된 삼중 루프 PI 제어기가 자세 각도를 30°로 유지하고, 조절된 깃짓기 빈도를 통해 고도를 제어하여 2.5–3m/s의 안정된 비행을 달성한다.
• 다리의 클립에 장착된 실시간 광학 감지 시스템이 50Hz 피드백을 다리 마이크로컨트롤러로 제공하며, 접근 도중 가지와의 정렬을 위해 클립의 각도를 조절한다.
• 가지에서 150cm 거리에 도달할 때, 비행 위치 오차가 있더라도 타겟 정확도를 향상시키기 위해 다리 기반의 불일치 보정 기능이 활성화된다.
• 가지에서 20cm 거리에 도달할 때, 깃짓기를 멈추고 25ms 내에 닫히며 2Nm 토크를 발휘하는 이중 안정성 클립이 작동하여 로봇을 고정한다.
• 부드러운 실리콘 패드와 클립의 자석이 중심질량 이격을 효과적으로 보완하여 탈락 방지에 기여한다.

Figure 1: Side view of a typical perching flight experiment. The robotic birds are accelerated by a launching system to 4 m/s. The birds then separate from the launcher and start the controlled flight phase, where the altitude, pitch, yaw and speed is regulated by an autopilot through elevator, rudd

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전방 비행과 수직 진동에도 불구하고 큰 깃 Wing 로봇이 일관되고 반복 가능한 가지 착지를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 최소한의 충격력으로 착지를 가능하게 하기 위해 필요한 제어 및 기계적 전략은 무엇인가?
• RQ3 실시간 다리 기반의 불일치 보정 전략은 착지 정확도 향상에 얼마나 효과적인가?
• RQ4 충분한 토크와 마찰력을 갖춘 이중 안정성 클립 시스템은 깃 Wing 로봇의 착지 중에 신뢰성 있게 고정할 수 있는가?
• RQ5 통제된 조건 하에서 반복 시험에서 전체 착지 시퀀스의 성능 및 내구성은 어떠한가?

주요 결과

• 실험 방법을 통해 700g의 깃 Wing 조류형 비행기는 2m 높이의 가지에 9회의 시험 비행 중 6회에서 자율 착지에 성공하였다.
• 비행 궤적은 비행 거리 8–12m 내에 2m 고도 목표에 도달하였으며, 최대 평균 수직 오차는 16cm였다.
• 횡방향 위치 오차는 흔히 60cm를 초과하지 않아 착지에 필요한 비행 제어 정밀도를 충분히 확보한 것으로 나타났다.
• 착지 직전 낮은 수평 속도(2.5–3m/s) 덕분에 충격력이 150N 이하로 유지되어 손상 위험을 최소화하였다.
• 모든 성공적인 착지 비행에서 손상이 발생하지 않았으며, 두 번째 로봇 역시 재조정 없이 착지에 성공하여 시스템의 내구성을 확인하였다.
• 이중 안정성 클립 시스템은 25ms 내에 닫히며, 실리콘 패드와 자석의 마찰력이 중심질량 이격을 효과적으로 보완하였다.