AOSoar: Autonomous Orographic Soaring of a Micro Air Vehicle

要約

空を飛ぶ鳥の風によるホバリング技術を利用すると、エネルギー消費を節約し、超小型飛行機 (MAV) の飛行耐久性を向上させることができます。
ここでは、風力場の事前知識を必要とせずに、完全に自律的な地形ソアリングを実行するための新しい方法を紹介します。
具体的には、制御割り当てを備えたインクリメンタル非線形動的反転 (INDI) コントローラーを考案し、自律ソアリングに適応させます。
これにより、飛行中にゲインやパラメーターを変更することなく、必要に応じてソアリングとスロットルの使用の両方が可能になります。
さらに、急上昇位置を探索するためのシミュレーテッドアニーリングに基づく最適化手法を提案します。
これにより、MAV はスロットルの使用やその他の制御努力を最小限に抑えながら、実行可能なソアリング位置を自律的に見つけることが初めて可能になります。
自律的な地形ソアリングが風洞内で実行されました。
ソアリング飛行中に風速とランプの傾斜を変更しました。
MAV は、最長 30 分間の飛行時間にわたって自律的な地形ソアリングを実行できました。
平均スロットル使用量はソアリング飛行全体でわずか 0.25% でしたが、通常の動力飛行には 38% が必要です。
また、MAV は飛行中に風場が変化したときに新しいソアリングスポットを見つけることができることも示されました。

要約(オリジナル)

Utilizing wind hovering techniques of soaring birds can save energy expenditure and improve the flight endurance of micro air vehicles (MAVs). Here, we present a novel method for fully autonomous orographic soaring without a priori knowledge of the wind field. Specifically, we devise an Incremental Nonlinear Dynamic Inversion (INDI) controller with control allocation, adapting it for autonomous soaring. This allows for both soaring and the use of the throttle if necessary, without changing any gain or parameter during the flight. Furthermore, we propose a simulated-annealing-based optimization method to search for soaring positions. This enables for the first time an MAV to autonomously find a feasible soaring position while minimizing throttle usage and other control efforts. Autonomous orographic soaring was performed in the wind tunnel. The wind speed and incline of a ramp were changed during the soaring flight. The MAV was able to perform autonomous orographic soaring for flight times of up to 30 minutes. The mean throttle usage was only 0.25% for the entire soaring flight, whereas normal powered flight requires 38%. Also, it was shown that the MAV can find a new soaring spot when the wind field changes during the flight.

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