Perch like a bird: bio-inspired optimal maneuvers and nonlinear control for Flapping-Wing Unmanned Aerial Vehicles

要約

この研究は、Ornithopterロボットでの止まる操作と制御を設計するために努力しています。
ロボットのフライトダイナミクス、フィードバックループ、環境制約の間の動的な相互作用を分析することにより、腰掛ける操作の理解を促進し、生物学的システムに類似点を引き出すことを目指しています。
鳥類の飛行で観察されたエレガントな制御戦略に触発されて、安定した止まり木を実現するために、最適な操作と対応するコントローラーを開発します。
操作は、キネマティックおよびダイナミックな制約を条件として、止まりの最小速度の最適化問題を分析的に解決することから生じる減速と急速なピッチアップ（垂直方向のターン）で構成されています。
羽ばたき周波数と尾の対称的な偏向のコントローラーは非線形で適応的であり、堅牢に安定した止まることを保証します。
実際、このような適応行動には、サイバネティックスの恒常性原理が制御システムに組み込まれているため、予期せぬ乱れに適応し、腰掛け操作中に安定した姿勢を維持する能力が向上します。
結果として生じる自律的な止まり木の操縦 – 閉ループの降下とターン – は、検証および検証されており、文献で報告されている本物の鳥の止まりの軌跡との優れた一致を示しています。
これらの発見は、鳥の熟練した止まる操縦をよりよく模倣する将来のプロトタイプの開発のための理論的基礎を築きます。

要約(オリジナル)

This research endeavors to design the perching maneuver and control in ornithopter robots. By analyzing the dynamic interplay between the robot’s flight dynamics, feedback loops, and the environmental constraints, we aim to advance our understanding of the perching maneuver, drawing parallels to biological systems. Inspired by the elegant control strategies observed in avian flight, we develop an optimal maneuver and a corresponding controller to achieve stable perching. The maneuver consists of a deceleration and a rapid pitch-up (vertical turn), which arises from analytically solving the optimization problem of minimal velocity at perch, subject to kinematic and dynamic constraints. The controller for the flapping frequency and tail symmetric deflection is nonlinear and adaptive, ensuring robustly stable perching. Indeed, such adaptive behavior in a sense incorporates homeostatic principles of cybernetics into the control system, enhancing the robot’s ability to adapt to unexpected disturbances and maintain a stable posture during the perching maneuver. The resulting autonomous perching maneuvers — closed-loop descent and turn — , have been verified and validated, demonstrating excellent agreement with real bird perching trajectories reported in the literature. These findings lay the theoretical groundwork for the development of future prototypes that better imitate the skillful perching maneuvers of birds.

arxiv情報

提供元, 利用サービス

arxiv.jp, Google