[논문 리뷰] TJ-FlyingFish: Design and Implementation of an Aerial-Aquatic Quadrotor with Tiltable Propulsion Units

Xuchen Liu, Minghao Dou외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 29.

Underwater Vehicles and Communication Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 공중 및 수중에서 효율적인 운영이 가능한 기울기 조절이 가능한 이중 속도 추진 장치를 갖춘 히카르트로프 드론인 TJ-FlyingFish를 제안한다. 독립적인 추진력 벡터 조절과 이중 속도 기어박스를 통해 차량은 공중 성능을 유지하면서도 수중에서의 조작성, 특히 요동 및 수평 운동에서 향상된 능력을 확보한다. 이는 교차 도메인 무인 차량을 위한 실용적인 해결책을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 공기와 물의 유체 특성이 상당히 다름에도 불구하고, 공기와 물에서 효율적으로 작동할 수 있는 단일 차량 설계의 과제를 해결하기 위해.
• 이전의 다중로터 공중-수중 차량들이 고정되거나 결합된 추진력 벡터 조절 메커니즘으로 인해 수중에서 민첩성이 떨어지는 한계를 극복하기 위해.
• 독립적인 기울기 조절 메커니즘과 이중 속도 기어박스를 도입하여 각각의 유체 환경에 맞는 추진 효율성 향상과 제어 유연성 향상을 위해.
• 독립적인 추진력 벡터 조절을 통해 자세와 수평 운동 간의 결합을 줄여 정밀한 수중 제어를 가능하게 하기 위해.
• 실험적 검증을 통해 공중 및 수중에서 뛰어난 조작성을 갖춘 하이브리드 공중-수중 히카르트로프의 실용적 타당성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 모터의 정방향 및 역방향 구동을 통해 작동하는 이중 속도 기어박스를 구현하여 공기에서는 고속·저토크 작동, 수중에서는 저속·고토크 작동을 전환할 수 있도록 하였다.
• 회전축에 장착된 기울기 조절 가능한 추진 장치를 설계하여 독립적인 추진력 벡터 조절을 실현하고, 요동과 수직 운동 제어를 분리하였다.
• 조작기 입력을 [π/6, 5π/6] 범위 내의 암 각도로 변환하기 위한 제어 매핑 전략(Eq. 7)을 사용하여 요동 및 수평 추진력을 생성하였다.
• 수중 위치 측정을 위해 UWB(Nooploop Linktrack S)를 통합하였으며, UWB 모듈을 수면 위로 연장하고 표면 기반 자세 및 위치 데이터와 융합하였다.
• 비표준 수중 추진력 벡터 조절 및 부족한 제어 자유도를 처리하기 위해 수정된 제어 로직을 적용한 PX4 기반 비행 제어기를 사용하였다.
• 경량 방수 처리를 최적화하여 구조적 질량을 감소시키고 공중 성능에 미치는 영향을 최소화하면서도 밀폐성 확보를 위해 노력하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 단일 추진 장치가 낮은 밀도의 공기와 높은 밀도의 물에서 모두 충분한 추진력을 효율적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 기존 토크 기반 요동 제어와 비교할 때, 독립적인 추진력 벡터 조절이 수중 조작성에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 공기 및 수중에서의 표준 다중로터 작동과 비교해 이중 속도 추진 장치의 성능 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 수중 비행 중 추진력 벡터 조절이 자세와 수평 운동 간의 동적 결합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 UWB 기반 수중 위치 측정이 수중 환경에서 제어 검증을 위한 정확한 실시간 피드백을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 이중 속도 기어박스는 공중 성능을 손상시키지 않으면서도 수중 추진 효율을 크게 향상시켜, 고토크·저속 작동이 가능하게 하였다.
• 독립적인 기울기 암을 통한 추진력 벡터 조절은 기존 토크 기반 요동 제어 대비 약 4~5배 빠른 요속을 가능하게 하여 더 빠르고 정밀한 자세 제어를 실현하였다.
• 조작기 입력과 수평 속도 사이의 위상 지연은 기울기 기반 운동의 약 ~113°에서 추진력 벡터 조절 기반으로 ~43°로 감소하여, 수중에서 더 빠르고 반응성이 뛰어난 제어 시스템임을 나타내었다.
• 추진력 상쇄로 인한 최대 속도 저하가 있었음에도 불구하고, 추진력 벡터 조절은 수중 환경에서 정밀한 위치 조절 및 자세 조정에 뛰어난 제어 능력을 제공하였다.
• 조작기의 토크 및 요동 입력을 조율하여 안정적인 수중 운용이 가능했으며, 요동 동안 z-위치를 유지하는 데 성공하였다.
• 실험 결과, 기울기 조절 가능한 추진 장치가 요동과 수직 운동 제어를 효과적으로 분리함으로써 기존 히카르트로프의 수중 환경에서의 핵심 한계를 해결하는 데 성공하였다.