Aerial Tensile Perching and Disentangling Mechanism for Long-Term Environmental Monitoring

要約

空中ロボットは、高い空間的および時間的解像度でのデータ収集機能を提供することで、森林樹冠の研究と環境モニタリングに大きな可能性を示します。
しかし、飛行耐久性が限られているため、その適用は困難です。
自然な止まり木行動にヒントを得て、エネルギー節約のための引張止まり木とデータ収集のための吊り下げ作動ポッドを統合したマルチモーダル空中ロボット システムを提案します。
このシステムは、クアッドローター ドローン、テザーの 360{\deg} 回転を可能にする旋回リング機構、テザーを介して接続された 2 つのダクト付きプロペラを備えた流線形のポッドで構成されています。
テザーを巻き取ったりほどいたりすると、ポッドがキャノピー内で移動し、プロペラを作動させると、テザーを枝に巻き付けて、止まったり、ほどけたりすることができます。
さまざまな条件下で安定した止まり木に必要な最小限のカウンターウェイトを実験的に決定しました。
これに基づいて、複数の止まり木ともつれを解く戦略を考案し、評価しました。
止まり木ともつれをほぐす操作を比較すると、ポッドまたはテザー巻き取りを使用するとエネルギーの節約がさらに最大化できることがわかります。
これらのアプローチでは、ドローンのもつれを解く操作と比較して、エネルギー消費をそれぞれわずか 22\% と 1.5\% に削減できます。
また、ミッション中のエネルギーを節約するためにシステムが停止してモーターが停止した後、提案されたシステムで必要な最小アイドル時間も計算しました。これは動作時間の 48.9% です。
全体として、統合システムは運用能力を拡張し、長期監視タスクのための航空機ロボットのエネルギー効率を高めます。

要約(オリジナル)

Aerial robots show significant potential for forest canopy research and environmental monitoring by providing data collection capabilities at high spatial and temporal resolutions. However, limited flight endurance hinders their application. Inspired by natural perching behaviours, we propose a multi-modal aerial robot system that integrates tensile perching for energy conservation and a suspended actuated pod for data collection. The system consists of a quadrotor drone, a slewing ring mechanism allowing 360{\deg} tether rotation, and a streamlined pod with two ducted propellers connected via a tether. Winding and unwinding the tether allows the pod to move within the canopy, and activating the propellers allows the tether to be wrapped around branches for perching or disentangling. We experimentally determined the minimum counterweights required for stable perching under various conditions. Building on this, we devised and evaluated multiple perching and disentangling strategies. Comparisons of perching and disentangling manoeuvres demonstrate energy savings that could be further maximized with the use of the pod or tether winding. These approaches can reduce energy consumption to only 22\% and 1.5\%, respectively, compared to a drone disentangling manoeuvre. We also calculated the minimum idle time required by the proposed system after the system perching and motor shut down to save energy on a mission, which is 48.9\% of the operating time. Overall, the integrated system expands the operational capabilities and enhances the energy efficiency of aerial robots for long-term monitoring tasks.

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