[论文解读] TJ-FlyingFish: Design and Implementation of an Aerial-Aquatic Quadrotor with Tiltable Propulsion Units

Xuchen Liu, Minghao Dou+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2023

Underwater Vehicles and Communication Systems被引用 4

一句话总结

本文提出TJ-FlyingFish，一种配备可倾斜双速推进装置的四旋翼无人机，可在空中与水中高效运行。通过采用独立推力矢量控制与双速变速箱，该飞行器显著提升了水下机动性能，尤其在偏航和水平运动方面，同时保持了可接受的空中性能，展示了跨域无人飞行器的实用解决方案。

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.

研究动机与目标

• 解决设计单一飞行器在空气与水中高效运行的挑战，因两种流体的物理特性差异显著。
• 克服以往多旋翼空中-水下飞行器因固定或耦合推力矢量控制机构而水下机动性不足的局限。
• 通过引入独立倾斜机构与双速变速箱，提升推进效率与控制灵活性，以适应不同流体环境。
• 通过独立推力矢量控制实现精确水下控制，减少姿态运动与平动之间的耦合。
• 通过实验验证，展示具备增强水下与空中机动性的混合式空中-水下四旋翼无人机的实际可行性。

提出的方法

• 通过电机正反转驱动双速变速箱，在空中实现高速低扭矩运行，在水中实现低速高扭矩运行。
• 设计安装在旋转臂上的可倾斜推进装置，实现独立推力矢量控制，解耦偏航与垂直运动控制。
• 采用控制映射策略（式7）将操纵杆输入转换为旋转角度，范围在[π/6, 5π/6]之间，以生成偏航与水平推力。
• 通过将UWB模块延伸至水面以上，并融合地基姿态与位置数据，实现水下定位。
• 采用基于PX4的飞行控制器，并修改控制逻辑以应对水下推力矢量控制带来的非标准动力学特性与欠驱动行为。
• 优化轻量化防水设计，降低结构质量，最小化对空中性能的影响，同时确保密封性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使单一推进系统在低密度空气与高密度水中均能高效产生足够推力？
• RQ2 与传统的基于扭矩的偏航控制相比，独立推力矢量控制在多大程度上提升了水下机动性？
• RQ3 双速推进与标准多旋翼在空气与水中的运行性能之间存在何种权衡？
• RQ4 推力矢量控制在水下飞行期间如何影响姿态与平动之间的动态耦合？
• RQ5 基于UWB的水下定位能否为水下环境中的控制验证提供准确的实时反馈？

主要发现

• 双速变速箱显著提升了水下推进效率，可在不损害空中性能的前提下实现高扭矩、低速运行。
• 通过独立倾斜臂实现的推力矢量控制使偏航速率相比基于扭矩的偏航控制提高了约4至5倍，实现了更快、更精确的方向控制。
• 操纵杆输入与水平速度之间的相位滞后从约113°（基于俯仰运动）降低至约43°（基于推力矢量控制），表明水下控制系统响应更快、更灵敏。
• 尽管因推力矢量抵消导致最大速度降低，但推力矢量控制在水下环境中显著提升了精细定位与姿态调节的控制能力。
• 系统在协调油门与偏航操纵杆输入时表现出稳定的水下运行，偏航机动期间能保持z轴位置稳定。
• 实验结果证实，可倾斜推进机构有效解耦了偏航与垂直运动，解决了传统四旋翼在水下环境中的一项关键局限。