Adaptive morphing of wing and tail for stable, resilient, and energy-efficient flight of avian-informed drones

要約

鳥類の情報を取り入れたドローンは、翼と尾翼の表面が変形し、飛行中の敏捷性と適応性を高めています。
その大きな可能性にもかかわらず、その大きな自由度と制御面間のクロスカップリング効果に対応する一般化された制御戦略が欠如しているため、その能力をフルに実現することは依然として困難です。
ここでは、利用可能なすべてのアクチュエータを使用してドローンの動きを制御する、鳥類の情報に基づいたドローン用の新しいボディレート コントローラーを提案します。
この方法は、物理的な摂動、乱気流、さらには飛行中の特定のアクチュエータの損失に対しても堅牢性を示します。
さらに、翼と尾翼のモーフィングを利用して、飛行中のベイジアン最適化を使用して 8m/s、10m/s、12m/s でのエネルギー効率を向上させます。
結果として生じるモーフィング構成は、非モーフィング構成と比較して 3 つの速度すべてで最大 11.5% という大幅な向上をもたらし、さまざまな速度での鳥の飛行に非常によく似ています。
この研究は、エネルギー効率の向上におけるモーフィングの役割を強調し、さまざまな風況下で動作する自律型鳥情報ドローンの開発の基礎を築きます。

要約(オリジナル)

Avian-informed drones feature morphing wing and tail surfaces, enhancing agility and adaptability in flight. Despite their large potential, realising their full capabilities remains challenging due to the lack of generalized control strategies accommodating their large degrees of freedom and cross-coupling effects between their control surfaces. Here we propose a new body-rate controller for avian-informed drones that uses all available actuators to control the motion of the drone. The method exhibits robustness against physical perturbations, turbulent airflow, and even loss of certain actuators mid-flight. Furthermore, wing and tail morphing is leveraged to enhance energy efficiency at 8m/s, 10m/s and 12m/s using in-flight Bayesian optimization. The resulting morphing configurations yield significant gains across all three speeds of up to 11.5% compared to non-morphing configurations and display a strong resemblance to avian flight at different speeds. This research lays the groundwork for the development of autonomous avian-informed drones that operate under diverse wind conditions, emphasizing the role of morphing in improving energy efficiency.

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