Minimally actuated tiltrotor for perching and normal force exertion

要約

この研究では、最小限に作動する 5 制御自由度 (CDoF) クアローターベースのチルトローターの新しいハードウェア設計と制御を紹介します。
提案されたティルトローターは、既存の研究で見つかったものとは異なるいくつかの特徴を備えています。1) 5 CDoF に対するアクチュエータの最小数、2) 空中物理的相互作用 (APhI) 中に相互作用力を生成するための大きなマージン、3) 推力に機械的な障害がない
方向回転。
これらの特性のおかげで、提案されたティルトローターは、任意の向きの表面に平行にホバリングでき、推力方向を自由に調整できるため、止まり木対応の APhI に適しています。
設計されたティルトローターの 5-CDoF を完全に制御するために、安定性解析を使用して漸近安定化コントローラーを構築します。
提案されたティルトローターの設計とコントローラーは実験で検証され、$x,y$ 位置追跡とピッチ追跡の最初の 2 つの実験では、従来のクアローターと比較して追加された CDoF の制御可能性が示されています。
最後に、止まり木とカート押しの最後の実験は、提案されたティルトローターの止まり木対応 APhI への適用可能性を示します。

要約(オリジナル)

This study presents a new hardware design and control of a minimally actuated 5 control degrees of freedom (CDoF) quadrotor-based tiltrotor. The proposed tiltrotor possesses several characteristics distinct from those found in existing works, including: 1) minimal number of actuators for 5 CDoF, 2) large margin to generate interaction force during aerial physical interaction (APhI), and 3) no mechanical obstruction in thrust direction rotation. Thanks to these properties, the proposed tiltrotor is suitable for perching-enabled APhI since it can hover parallel to an arbitrarily oriented surface and can freely adjust its thrust direction. To fully control the 5-CDoF of the designed tiltrotor, we construct an asymptotically stabilizing controller with stability analysis. The proposed tiltrotor design and controller are validated in experiments where the first two experiments of $x,y$ position tracking and pitch tracking show controllability of the added CDoF compared to a conventional quadrotor. Finally, the last experiment of perching and cart pushing demonstrates the proposed tiltrotor’s applicability to perching-enabled APhI.

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