[论文解读] Experimental Energy Consumption Analysis of a Flapping-Wing Robot

Raúl Tapia, Alvaro C. Satue+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2023

Biomimetic flight and propulsion mechanisms被引用 4

一句话总结

本研究通过实验分析了扑翼机器人（E-Flap）在飞行各阶段及机载感知系统中的能耗情况。研究测量了起飞、爬升和巡航飞行阶段的功耗，并评估了立体视觉相机与事件相机的性能，发现事件相机功耗低于200 mW，显著低于传统相机，使其成为延长能量受限的仿生无人机飞行续航时间的理想选择。

ABSTRACT

One of the motivations for exploring flapping-wing aerial robotic systems is to seek energy reduction, by maintaining manoeuvrability, compared to conventional unmanned aerial systems. A Flapping Wing Flying Robot (FWFR) can glide in favourable wind conditions, decreasing energy consumption significantly. In addition, it is also necessary to investigate the power consumption of the components in the flapping-wing robot. In this work, two sets of the FWFR components are analyzed in terms of power consumption: a) motor/electronics components and b) a vision system for monitoring the environment during the flight. A measurement device is used to record the power utilization of the motors in the launching and ascending phases of the flight and also in cruising flight around the desired height. Additionally, an analysis of event cameras and stereo vision systems in terms of energy consumption has been performed. The results provide a first step towards decreasing battery usage and, consequently, providing additional flight time.

研究动机与目标

• 量化扑翼飞行机器人（E-Flap）在关键飞行阶段——起飞、爬升和巡航——的能耗情况。
• 在接近真实飞行的条件下，评估机载感知系统（尤其是立体视觉与事件相机）的功耗表现。
• 识别低功耗的感知解决方案，在不损害导航或避障能力的前提下最小化功耗。
• 通过优化仿生飞行机器人中各组件的功耗，支持更长的飞行续航时间。
• 为不同飞行与传感器配置下自主扑翼机器人的能耗预测提供实证数据。

提出的方法

• 在室内测试平台上开展受控飞行测试，使用自定义测量装置测量起飞、爬升和巡航阶段的功耗。
• 使用INA219功率计实时记录电机、舵机和电子设备在各飞行阶段的电能消耗。
• 将相机（RealSense D435、ZED、eCapture G53、DAVIS346 DVS）安装于可俯仰振荡的基准平台上，以模拟扑翼运动。
• 在不同俯仰速率（0–60°）和场景动态（快速、缓慢或静态运动）下测量功耗，以评估事件率依赖性。
• 使用VectorNav VN-200传感器追踪俯 pitch 速率，并将其与相机功耗进行关联分析。
• 分析DAVIS346 DVS的事件生成速率（单位为Meps），并将其与功耗相关联，以评估在动态场景下的能效表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在扑翼机器人中，起飞、爬升和巡航阶段共占总能耗的多大比例？
• RQ2 在相似飞行条件下，立体视觉系统（RealSense D435、ZED、eCapture G53）的功耗表现如何比较？
• RQ3 事件相机（DAVIS346 DVS）在动态与静态场景中相对于传统立体相机的能效表现如何？
• RQ4 场景活动（如移动与静止物体）如何影响事件相机在模拟扑翼运动中的功耗？
• RQ5 事件相机能否显著降低机载感知系统的能耗，从而延长自主扑翼机器人的飞行续航时间？

主要发现

• 起飞与爬升阶段合计占总能耗的52.9%，而巡航飞行占47.1%。
• DAVIS346事件相机的功耗低于200 mW，显著低于传统立体相机300–700 mW的功耗范围。
• DAVIS346 DVS的事件率与功耗直接相关，场景中运动越剧烈，功耗越高；而静态场景仅触发极少事件，功耗可忽略不计。
• eCapture G53立体相机在传统立体系统中功耗最低（300–400 mW），但仍远高于事件相机的能效水平。
• RealSense D435与ZED相机的功耗为500–700 mW，由于能耗过高，不适合长时间任务。
• 事件相机功耗对场景活动的依赖性使其具备自适应能耗能力——仅当有相关视觉变化时才消耗能量，因此特别适合长滑翔阶段。