Range, Endurance, and Optimal Speed Estimates for Multicopters

要約

マルチコプターは、最も多用途な移動ロボットの 1 つです。
その用途は、検査や地図作成のタスクから、災害地域での重要な偵察の提供、荷物の配達まで多岐にわたります。
マルチローター航空機がその任務を遂行する際に達成できる航続距離、耐久性、速度は、航空機の設計やミッション計画だけでなく、航空機ロボットの規則や規制を決定する政策立案者にとっても決定的な要素となります。
著者の知る限り、この研究は、さまざまなマルチコプターの航続距離、耐久性、最適な飛行速度を推定するための最初のアプローチを提案しています。
この進歩は、ブレード要素運動量理論に基づいた最先端の第一原理空力マルチコプター モデルと、電気モーター モデルおよびグレーボックス バッテリー モデルを組み合わせることで可能になります。
このモデルは、バッテリーが一定でない放電率にさらされた場合でも、わずか 1.3% の相対誤差 (43.1 mV) でセル電圧を予測します。
私たちのアプローチは、テストベンチでの実世界実験と、世界最大級のモーション キャプチャ システムの 1 つで最高 65 km/h の速度で飛行することで検証されています。
また、マルチコプターの航続距離、耐久性、最適速度を推定するための正確な紙とペンのアルゴリズムも提示します。これは、将来の研究者が最大の航続距離と耐久性を備えたドローンを構築するのに役立ち、将来のマルチコプタービークルがさらに多用途になることを保証します。

要約(オリジナル)

Multicopters are among the most versatile mobile robots. Their applications range from inspection and mapping tasks to providing vital reconnaissance in disaster zones and to package delivery. The range, endurance, and speed a multirotor vehicle can achieve while performing its task is a decisive factor not only for vehicle design and mission planning, but also for policy makers deciding on the rules and regulations for aerial robots. To the best of the authors’ knowledge, this work proposes the first approach to estimate the range, endurance, and optimal flight speed for a wide variety of multicopters. This advance is made possible by combining a state-of-the-art first-principles aerodynamic multicopter model based on blade-element-momentum theory with an electric-motor model and a graybox battery model. This model predicts the cell voltage with only 1.3% relative error (43.1 mV), even if the battery is subjected to non-constant discharge rates. Our approach is validated with real-world experiments on a test bench as well as with flights at speeds up to 65 km/h in one of the world’s largest motion-capture systems. We also present an accurate pen-and-paper algorithm to estimate the range, endurance and optimal speed of multicopters to help future researchers build drones with maximal range and endurance, ensuring that future multirotor vehicles are even more versatile.

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