[論文レビュー] Dynamics of Quadrotor UAVs for Aerial Networks: An Energy Perspective

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

UAV Applications and Optimization参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、空中ネットワークにおけるマルチローターUAVの閉形式エネルギーおよびバッテリ動態モデルを提示する。運動制御、通信、無線電力伝送（WPT）を統合しており、モーターおよびバッテリの電気的モデルを活用して、飛行中のエネルギー消費およびレーザー充電時のエネルギー回収に関する正確な式を導出している。その結果、WPTにより20秒間のホバリング通信フェーズで最大2％のバッテリ容量を回復可能であることが示された。

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.

研究の動機と目的

• 発展中の空中ネットワーク応用において、Li-ionバッテリの制限による短い飛行時間という重要な制限を解消すること。
• UAVの運動ダイナミクス、エネルギー消費、バッテリの充電状態を結びつける包括的で実用的なモデルを構築し、エネルギー効率の良いネットワーク設計を実現すること。
• 外力（例：風）およびWPTが3次元飛行軌道におけるエネルギー消費およびバッテリ動態に与える影響を調査すること。
• 実際の飛行および充電条件下でDJI Phantom 2 UAVを用いて、提案されたエネルギーおよびバッテリモデルの実験的検証を実施すること。

提案手法

• 外部力が作用する状況下での3次元UAV飛行を記述するため、ローター回転速度および姿勢角（ロール、ピッチ、ヨー）を用いた運動制御モデルを構築する。
• モーターの電気的およびトルクダイナミクスに基づき、逆起電力および抵抗効果を含めた推進エネルギーの閉形式式を導出する。
• 経路損失および効率のモデル化を伴う、分散型レーザー充電（DLC）による通信エネルギー（5 W）および無線電力伝送（WPT）を統合する。
• 充電電流（10 A）、定格電圧（11.1 V）、容量（1バッテリあたり36,000 As）を含む電気回路方程式を用いてバッテリダイナミクスをモデル化する。
• 実世界の条件を再現するため、[100,50,50]から[160,80,100] mへの3次元軌道を想定し、一定の風力（[−5,3,−12.74] N）を適用する。
• 同時に運動と充電が可能な2つの独立した3S LiPoバッテリを組み合わせたハイブリッドバッテリ構成を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外力としての風力は、水平飛行および垂直飛行中のマルチローターUAVのエネルギー消費にどのように影響するか？
• RQ2 3次元空間における軌道走行中、ローター回転数とエネルギー消費の関係は何か？
• RQ3 レーザー基盤の無線電力伝送（DLC）は、ホバリングおよび通信中のバッテリの放電およびエネルギー回収にどのように影響するか？
• RQ4 ハイブリッド運動・通信・WPTシナリオにおいて、UAVの飛行時間の最大化を目的とした最適なバッテリ容量および充電戦略は何か？
• RQ5 距離および出力源のパワーに応じて、DLCの回収エネルギーおよび効率はどのように変化するか？

主な発見

• 重力の影響により垂直飛行時のエネルギー消費が顕著に増加し、特にz方向で最大のエネルギー消費が観察された。
• ローター回転速度が高くなると移動時間が短縮されるが、エネルギー消費が増加し、ホバリング速度に近い値（956.29 rad/s）でピークに達する。これは、時間短縮とエネルギー消費のトレードオフを示している。
• y方向に風力が作用すると運動を支援するためエネルギー消費が減少するが、x方向の反対方向の風力は必要なエネルギーを増加させる。これは方向的非対称性を示している。
• ホバリングと通信を併用すると移動時よりもエネルギー消費が増加するが、風力がゼロのときエネルギー消費が最小化され、放物線的エネルギープロファイルが観察された。
• DLCの送信源からの距離が増加するに従い、経路損失の影響により回収エネルギーおよび効率が劣化するが、出力源パワーを増加させることで改善が可能である。
• WPTにより20秒間のホバリングおよび通信中に、バッテリ容量が10,800 Asから2％の純増加（合計360 As）を達成でき、実用的なエネルギー回収が可能であることが実証された。