Autonomous aerial perching and unperching using omnidirectional tiltrotor and switching controller

要約

マルチローターの空中でのアンパーチングは、動作時間を延長するために研究されているパーチングとは対照的に、ほとんど注目されていません。
この研究では、飛行中に自律的に強磁性表面に止まったり降りたりできる新しい空中ロボットと、ローターの飽和を回避し、自由飛行と止まった間の移行時のオーバーシュートを軽減するスイッチングコントローラーを紹介します。
垂直面上または垂直面からの安定した止まり木と降りる操作を可能にするために、$90^\circ$ のピッチ角でホバリングできる軽量 ($\about$ $1$ \si{kg}) の完全に作動するティルトローターが最初に開発されました。
単一のサーボモーターと磁石で構成される停止/停止モジュールを設計し、チルトローターに取り付けます。
自由飛行と止まり木間の遷移のための排他制御モードを含むスイッチングコントローラを提案する。
最後に、測定および制御エラーが存在する場合でも堅牢な止まり木を確保し、降りた直後の止まり木サイトとの衝突を回避するための、シンプルだが効果的な戦略を提案します。
我々は、ティルトローターが飛行中に垂直面に止まったり、垂直面から降りたりする実験で、提案されたフレームワークを検証します。
さらに、大きなオーバーシュートや止まり木部位との衝突さえも発生するアブレーション研究によって、スイッチングコントローラーで提案された遷移モードの有効性を示します。
著者の知る限り、この研究は完全に作動するティルトローターを使用した最初の自律的な空中降下フレームワークを示しています。

要約(オリジナル)

Aerial unperching of multirotors has received little attention as opposed to perching that has been investigated to elongate operation time. This study presents a new aerial robot capable of both perching and unperching autonomously on/from a ferromagnetic surface during flight, and a switching controller to avoid rotor saturation and mitigate overshoot during transition between free-flight and perching. To enable stable perching and unperching maneuvers on/from a vertical surface, a lightweight ($\approx$ $1$ \si{kg}), fully actuated tiltrotor that can hover at $90^\circ$ pitch angle is first developed. We design a perching/unperching module composed of a single servomotor and a magnet, which is then mounted on the tiltrotor. A switching controller including exclusive control modes for transitions between free-flight and perching is proposed. Lastly, we propose a simple yet effective strategy to ensure robust perching in the presence of measurement and control errors and avoid collisions with the perching site immediately after unperching. We validate the proposed framework in experiments where the tiltrotor successfully performs perching and unperching on/from a vertical surface during flight. We further show effectiveness of the proposed transition mode in the switching controller by ablation studies where large overshoot and even collision with a perching site occur. To the best of the authors’ knowledge, this work presents the first autonomous aerial unperching framework using a fully actuated tiltrotor.

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