DRON ESFÉRICO CON EFECTO COANDÂ (¿UAPS O DRONES?) ESTUDIO EN ESPAÑOL

Por Ying Hong Pheh ORCIDO,Shane Kyi Hla gana ORCIDOyShaohui Foong*ORCIDO

Pilar de desarrollo de productos de ingeniería, Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD), 8 Somapah Road, Singapur 487372, Singapur

*

Autor a quien debe dirigirse la correspondencia.

Drones 2022 , 6 (9), 260; https://doi.org/10.3390/drones6090260

Envío recibido: 29 de julio de 2022 / Revisado: 9 de septiembre de 2022 / Aceptado: 12 de septiembre de 2022 / Publicado: 18 de septiembre de 2022

Abstract

Incluso cuando las interacciones entre humanos y robots se vuelven cada vez más comunes, los pequeños sistemas de aeronaves no tripuladas (sUAS, por sus siglas en inglés) convencionales, generalmente multicópteros, pueden seguir siendo inseguros para su despliegue en un ambiente interior muy cerca de los humanos sin importantes precauciones de seguridad. Esto se debe a sus hélices que giran rápidamente y a la falta de un mecanismo de seguridad en caso de pérdida de energía. Un dirigible no rígido lleno de gases más ligeros que el aire es inherentemente más seguro ya que "flota" en el aire y generalmente es incapaz de moverse a alta velocidad. El dron esférico con efecto Coandă para interiores (SpICED) es un diseño de dirigible esférico novedoso y seguro propulsado por impulsores cerrados que utilizan el efecto Coandă. A diferencia de un multicóptero o un dirigible de hélice convencional, los impulsores cerrados reducen los riesgos de seguridad para las personas y los objetos circundantes, lo que permite que SpICED funcione muy cerca de los humanos y abre la posibilidad de nuevas interacciones entre humanos y drones. El diseño implementa múltiples rotores de impulsor cerrado como unidades de propulsión para acelerar el flujo de aire a lo largo de la superficie del dirigible esférico y producir empuje utilizando el efecto Coandă. Se presenta una configuración cúbica con ocho unidades de propulsión unidireccional, junto con los controladores Proporcional-Integral-Derivativo (PID) de circuito cerrado y un algoritmo de mezcla de control personalizado para el control de posición y actitud en los tres ejes. Se construyó un prototipo físico de la unidad de propulsión y el dirigible sUAS para validar experimentalmente el comportamiento dinámico y los controles en un entorno de captura de movimiento, y los resultados experimentales se compararon con la configuración tetra lateral con cuatro unidades de propulsión bidireccionales como se presentó en nuestro estudio anterior. artículo de conferencia publicado. Se observó una reducción de hasta el 40 % en el error de control de trayectoria en la nueva configuración del cubo, que también es capaz de controlar el movimiento en los seis grados de libertad (DoF) con control adicional de cabeceo y balanceo en comparación con la configuración tetra lateral.

Palabras clave: dirigible ; efecto coandă ; pequeños sistemas de aeronaves no tripuladas (sUAS) ; vehículo aéreo no tripulado (UAV).

1. Introducción

El avance de la tecnología de los sUAS de consumo en los últimos años ha permitido muchas aplicaciones en entornos interiores, como inspecciones, vigilancia, publicidad, etc. Muchas de estas aplicaciones utilizaron sUAS multicópteros, principalmente debido a su alta capacidad de carga útil, alta maniobrabilidad y construcción mecánica simple. Existen muchas fuentes de perturbaciones externas para los vuelos de sUAS en un ambiente al aire libre, como fuertes ráfagas de viento; por lo tanto, en dicho entorno operativo, la alta maniobrabilidad de un multicóptero es esencial para su funcionamiento estable y confiable. Sin embargo, en un ambiente interior, esta alta maniobrabilidad suele ser innecesaria, mientras que las otras características de un multicóptero, como su baja resistencia de vuelo, su alto nivel de ruido y sus altos riesgos de seguridad, a menudo son indeseables ya que opera muy cerca de obstáculos y humanos. Por ejemplo, según un artículo de Airborne Drones [ 1 ], un dron de consumo, como el DJI Phantom 4 Pro [ 2 ], puede producir niveles de ruido de hasta 81 decibeles, lo que equivale al fuerte ruido del tráfico en una carretera a una quemarropa. Niveles de ruido tan altos pueden impedir las comunicaciones de voz efectivas entre humanos cercanos y causar molestias y contaminación acústica significativas, especialmente en un ambiente interior, donde el ruido puede amplificarse debido a los reflejos y el eco.

Los SUAS multicópteros también presentan importantes riesgos de seguridad cuando operan cerca de humanos debido a sus hélices de rápida rotación, ya que las lesiones de las hélices son el principal mecanismo de lesiones relacionadas con drones, según un estudio de Johnson et al. [ 3 ]. Los riesgos de seguridad asociados con el uso de un sUAS multicóptero a menudo conducen al despliegue de medidas de seguridad mediante el aislamiento físico de los humanos cercanos del sUAS en funcionamiento. Esto provoca ineficiencias en el uso del espacio de trabajo y baja concurrencia en las aplicaciones donde los trabajadores pueden tener que esperar para realizar su trabajo en el mismo espacio de trabajo. Los riesgos de seguridad, junto con la baja resistencia de vuelo de los sUAS multicópteros, también requieren el empleo de personal dedicado para la operación del sUAS, lo que aumenta los costos de implementación de la tecnología sUAS para diversas aplicaciones en interiores.

Debido a la naturaleza peligrosa de los SUAS multicópteros cuando operan en estrecha proximidad con humanos, ha habido una falta de desarrollo y aplicaciones que impliquen interacciones o cooperación entre drones y humanos, excepto para drones muy livianos de alrededor de 20 g de masa. Como tal, el desarrollo de un nuevo tipo de sUAS adecuado para operar cerca de humanos en un ambiente interior puede crear oportunidades en aplicaciones novedosas como publicidad, entretenimiento, inspección, seguridad, etc.

Un dirigible es un tipo de dirigible que depende del levantamiento de gases como el helio para mantener su forma y flotabilidad en el aire. Su naturaleza más ligera que el aire le permite "flotar" en el aire, incluso en caso de pérdida total de potencia de propulsión, y su cuerpo lleno de gas, que ocupa un gran volumen, tiene una gran resistencia aerodinámica, lo que hace que su vuelo menos dinámico y más predecible. Estas propiedades inherentes del dirigible lo hacen significativamente menos peligroso para las personas que lo rodean en comparación con un suAS multicóptero con hélices que giran rápidamente, especialmente en un ambiente interior.

1.1. Revisión de literatura

Skye, un dirigible omnidireccional esférico, presentado por M. Burri et al. [ 4 ], es capaz de realizar un movimiento de seis grados de libertad (DoF) con sus cuatro unidades de actuación dispuestas en forma tetraédrica, que consisten en un servomotor para la rotación y una hélice impulsada por un motor con un protector de hélice. La complejidad mecánica y el diseño de las unidades de accionamiento pueden sufrir daños en caso de impacto y su tamaño de 2,7 m de diámetro es demasiado grande para implementarse en espacios más reducidos. La protección de la hélice también puede ser insuficiente para reducir los riesgos de seguridad alrededor de las personas; por ejemplo, los pelos largos pueden enredarse en las hélices que giran rápidamente si entran en contacto.

De manera similar, el dron Halo de la startup Spacial [ 5 ] es un dirigible propulsado por hélices laterales que está diseñado para aplicaciones de filmación aérea en interiores. Aerobots desarrollados por I. Sharf et al. [ 6 ], un prototipo de dirigible esférico para fines de emulación de satélites, funciona con ventiladores con conductos eléctricos montados lateralmente y es capaz de controlar el movimiento con seis grados de libertad. BalloonCam™ de Panasonic [ 7 ] fue diseñado para tener las hélices del cuadricóptero ocultas en los cuatro cortes verticales de la estructura envolvente del dirigible. Todos estos diseños son de tamaño relativamente grande y las hélices parcialmente expuestas pueden presentar riesgos de corte y enredo para los humanos cercanos.

Festo ha desarrollado a lo largo de los años una amplia variedad de robots aéreos más ligeros que el aire. El proyecto eMotionSpheres [ 8 ] mostró múltiples dirigibles esféricos, propulsados ​​por hélices montadas lateralmente, que realizaban un vuelo preciso y sincronizado en un ambiente interior. Mientras que FreeMotionHandling [ 9 ], otro dirigible esférico, tiene una pinza accionada neumáticamente integrada en su envoltura de gas helio, ambos proyectos mostraron la versatilidad de una plataforma de dirigible en un ambiente interior. Sin embargo, el uso de hélices de giro rápido en estos dirigibles todavía plantea algunos riesgos de seguridad para las personas y los objetos circundantes.

Inspirándose en varios animales, como pingüinos, mantarrayas y medusas, Festo también ha diseñado una serie de robots aéreos con un método de propulsión mecánica mediante biomímesis. Los AirPenguins [ 10 ] 'nadan' en el mar de aire mediante el uso de mecanismos de aleteo unidos a los lados de la envoltura esferoide alargada. El Air_ray [ 11 ] tiene la forma de una mantarraya e imita su movimiento a través de un mecanismo de aleteo integrado en la envoltura del dirigible, que le permite deslizarse por el aire, de forma muy parecida a cómo las mantarrayas nadan en el mar. El AirJelly [ 12 ] está formado por una envoltura esférica de 1,3 metros de diámetro, con ocho aletas accionadas mecánicamente conectadas al cuerpo a través de una estructura flexible similar a un tentáculo. De manera similar a cómo se mueve una medusa en el agua, AirJelly se impulsa hacia arriba empujando el aire hacia abajo a través del movimiento mecánico de aleteo de las ocho aletas conectadas, mientras que la dirección lateral del movimiento está controlada por un péndulo, que desplaza el centro de masa de AirJelly. Estos métodos de propulsión mecánica basados ​​en el biomimetismo son fascinantes de observar y, en general, seguros de operar cerca de humanos debido al movimiento relativamente lento de los mecanismos de aleteo. Sin embargo, estos mecanismos de aleteo son complejos y están integrados en el diseño de la envoltura del dirigible, lo que puede aumentar los costos de mantenimiento de dichos sistemas si se implementan como un sUAS en un ambiente interior. El movimiento de "natación" de estos dirigibles aéreos también puede ser menos maniobrable, requiriendo un gran radio de giro para alterar su dirección de vuelo, lo que puede hacerlos inadecuados para aplicaciones con espacios de vuelo más pequeños y que requieren un control de vuelo de precisión.

Además de producir empuje utilizando medios mecánicos, Poon et al. [ 13 ] han desarrollado una tecnología de propulsión silenciosa y sin vibraciones para dirigibles de vigilancia en interiores que utilizaban el viento iónico producido por un volante iónico a bordo para impulsar. Si bien es deseable un sistema de dirigible interior silencioso, la naturaleza de alto voltaje de un sistema de propulsión iónica hace que no sea seguro operarlo cerca de seres humanos y objetos que sean sensibles a las descargas eléctricas.

En la búsqueda de una plataforma sUAS perfectamente segura para uso en interiores cercanos, Wataru et al. [ 14 ] han desarrollado ZeRONE, un dirigible esférico que utiliza microsopladores piezoeléctricos para evitar el uso de una hélice para la propulsión. El sistema de propulsión construido mediante conjuntos de microsopladores piezoeléctricos es seguro, silencioso y eficiente; sin embargo, el empuje generado es débil e insuficiente para impulsar el dirigible a velocidad de marcha.

S-CLOUD, un dirigible con forma de toro diseñado por Song et al. [ 15 ], tiene hélices coaxiales colocadas en el orificio de la envoltura del toro para producir empuje vertical. Debajo de las hélices se coloca una aleta de dos ejes controlada por un servomotor para desviar el flujo de aire descendente hacia un lado. El flujo de aire desviado luego se une y sigue la superficie curva inferior de la envoltura del toro debido al efecto Coanda, que resulta en un empuje lateral. Este enfoque es innovador en la forma en que utiliza la superficie curva de la envoltura de gas helio en forma de toro como un medio para redirigir el flujo de aire a través del efecto Coandă.

1.2. Aportes de este trabajo

En este artículo, se presenta un nuevo método de propulsión y control para dirigibles esféricos en miniatura de interior llamado Spherical Indoor Coandă Effect Drone (SpiCED). El objetivo de la investigación es desarrollar un pequeño sistema de aeronave no tripulada (sUAS) que sea seguro para operar en estrecha proximidad con humanos en espacios interiores reemplazando las hélices típicamente empleadas en dirigibles, sUAS [ 4 , 5 , 6 , 7 , 15 ] . , con un diseño de impulsor cerrado, que aísla los bordes afilados y que giran rápidamente del entorno. En comparación con los robots aéreos biomiméticos de Festo [ 10 , 11 , 12 ], el diseño SpICED es más maniobrable y puede trasladarse en cualquier dirección sin un gran radio de giro. También es más seguro que la propulsión de viento iónico de alto voltaje [ 13 ] y proporciona más empuje para velocidades de movimiento más altas en comparación con la propulsión basada en microsopladores piezoeléctricos [ 14 ]. El sistema de propulsión de bajo perfil de SpICED se compone de múltiples unidades de propulsión (PU) con impulsores cerrados que son impulsados ​​directamente por motores de CC sin escobillas, que proporcionan una fuerza de empuje a través del efecto Coandă en el cuerpo esférico del dirigible.

El diseño SpICED es intrínsecamente seguro ya que normalmente no pesa debido a la flotabilidad del gas helio. Incluso en caso de pérdida total de potencia, SpICED permanece suspendido en el aire, a diferencia de un accidente, que le puede ocurrir a un multicóptero en tal escenario. El criterio contundente [ 16 , 17 , 18 , 19 ] calculado para un varón adulto humano impactado en el pecho por el prototipo SpICED a una velocidad de 1 m/s es -8,9; por lo tanto, en este caso la probabilidad de sufrir una lesión menor es nula. El componente de mayor velocidad de SpICED es el impulsor cerrado, que tiene un perfil muy bajo con bordes afilados ocultos, lo que minimiza cualquier riesgo de lesiones.

En un artículo de conferencia publicado anteriormente [ 20 ], presentamos una versión de este sUAS dirigible para interiores con cuatro PU bidireccionales y demostramos la controlabilidad del sUAS con resultados experimentales. En este artículo, estamos explorando una nueva configuración del diseño, con ocho PU unidireccionales, para una mejor maniobrabilidad y respuesta de control.

Nuestras contribuciones en este artículo son las siguientes:

La introducción de una Unidad de Propulsión (PU) unidireccional compuesta por un impulsor cerrado con paletas curvas, y una comparación entre la PU unidireccional y la PU bidireccional con paletas rectas, como se presentó en el artículo anterior [ 20 ].

La introducción del sistema de propulsión de configuración cúbica con ocho PU, que elimina la necesidad de PU bidireccional en comparación con otras configuraciones.

Resultados experimentales tanto del rendimiento de la PU unidireccional como del control de vuelo en circuito cerrado del prototipo de dirigible sUAS con configuración cúbica, en comparación con la configuración tetra lateral previamente explorada.

2. Diseño de SpICED

2.1. Diseño de la Unidad de Propulsión (PU)

El diseño del dirigible propuesto es propulsado por PU en la superficie del dirigible, que aceleran directamente el flujo de aire a lo largo de la superficie del dirigible esférico. El flujo de aire acelerado se adhiere a la superficie curva del cuerpo esférico debido al efecto Coandă. Esto crea una presión de aire más baja sobre la superficie y produce una elevación aerodinámica en el cuerpo del dirigible. La forma esférica de la envoltura del dirigible se elige de modo que el efecto Coandă se produzca por igual en todas las direcciones radiales.

Como se ilustra en la Figura 1, cada PU se compone de un impulsor cerrado, unido al rotor de un motor eléctrico sin escobillas de CC, con la base del motor unida a una placa de montaje que permite fijar la PU a la superficie del dirigible. con el uso de adhesivo. El motor eléctrico sin escobillas hace girar el impulsor, que, a su vez, aspira aire desde la entrada del impulsor y expulsa el flujo de aire acelerado radialmente hacia afuera sobre la superficie del dirigible. Aparte de las fuerzas de elevación producidas por el flujo de aire acelerado, la rotación del rotor y el impulsor produce un par de reacción en el cuerpo del dirigible al que está unida la base del motor. Este par de reacción se puede utilizar para manipular la orientación del dirigible en vuelo.

Drones 06 00260 g001 550

Figura 1. Vista lateral que muestra la interacción física entre el impulsor y el aire circundante.

La Figura 2a muestra un diseño de impulsor con paletas radiales rectas simétricas; Aunque es menos eficiente en comparación con un impulsor de paletas curvadas hacia atrás, tiene un rendimiento idéntico en ambos sentidos de rotación. Esto permite que el par de reacción del impulsor giratorio se utilice para controlar la orientación del dirigible, sin colocar las PU en una disposición de pares contrarrotativos. En un impulsor de paletas rectas, la dirección de empuje sigue siendo la misma independientemente de la dirección de rotación. Esta PU con impulsor de paletas rectas se denominará PU bidireccional.

Figura 2. Vista isométrica de impulsores en la PU, ( a ) Impulsor con paletas rectas, ( b ) Impulsor con paletas curvas.

La Figura 2 b muestra un diseño de impulsor con paletas de impulsor curvas. El diseño se modela con la asistencia del software de la turbomaquinaria, con parámetros para mejorar la eficiencia y el rendimiento en comparación con el impulsor de paletas rectas; sin embargo, la naturaleza no simétrica de este diseño de impulsor no produce la misma cantidad de empuje si se gira en la dirección opuesta. Por lo tanto, está diseñado para girar y producir torsión únicamente en una sola dirección, y es posible que se requieran más PU con este impulsor para controlar la orientación del dirigible en vuelo. Una PU con este impulsor de paletas curvas se denominará PU unidireccional.

Como afirma RI Ahmed et al. [ 21 ] en su investigación sobre la aerodinámica de un microvehículo aéreo (MAV) de efecto Coandă, las fuerzas de sustentación totales generadas por la manta de efecto Coandă en un MAV de efecto Coandă semiesférico son las siguientes:

𝐹𝑃=𝐹𝑀+𝐹𝑃𝐷    (1)

dónde𝐹𝑃 representa el empuje neto,𝐹𝑀 representa fuerzas de elevación vertical debido al equilibrio de impulso de la manta Coandă y𝐹𝑃𝐷 representa las fuerzas de elevación debidas a la diferencia de presión en el cuerpo MAV sujeto a la manta Coandă, como se muestra en la Figura 1 . En nuestras consideraciones aerodinámicas en este trabajo, asumimos que el empuje y el par producido por la PU, 𝐹𝑃 y𝜏𝑃, son proporcionales al cuadrado de la velocidad de rotación, 𝜔2. 𝐹𝑃  y𝜏𝑃 , se aproximan de la siguiente manera para nuestro modelo dinámico, con referencia a [ 22 ]:

𝐹𝑃=𝛽𝑡𝜔2   (2)

𝜏𝑃=𝛽𝑑𝜔2   (3)

Dónde𝛽𝑡 es el coeficiente de empuje del impulsor y𝛽𝑑 es el coeficiente de resistencia del impulsor, los cuales se encuentran empíricamente en las investigaciones experimentales de la Sección 3.3 . La suposición de que 𝐹𝑃 y𝜏𝑃 son proporcionales a𝜔2 también se valida con hallazgos empíricos, como se muestra en la Sección 4.1.1 .

2.2. Configuraciones del sistema de propulsión de unidades múltiples

Como cada PU solo es capaz de producir empuje y torsión a lo largo de un único eje, es necesario desplegar múltiples PU para lograr el control de vuelo necesario para el dirigible. El requisito mínimo de control de vuelo para un dirigible típico es la capacidad de trasladarse en un espacio tridimensional y girar alrededor del eje de guiñada.

En la Figura 3 se consideraron y compararon varias configuraciones para la colocación de las PU . Generalmente es mejor elegir una configuración que utilice menos PU, ya que esto reduce la masa total del sistema de propulsión, lo que, a su vez, permite asignar una mayor parte del presupuesto de masa a la batería y la carga útil. Para el movimiento de traslación en el espacio tridimensional, sólo se necesita el componente de empuje del PU, mientras que el par de reacción del PU se requiere para el control de la guiñada; por lo tanto, será favorable posicionar la PU para contrarrestar los pares de reacción y evitar introducir una rotación involuntaria cuando solo se requiere empuje.

Figura 3. Tipos de configuración considerados. n = número de UP. ( a ) Cubo, ( b ) Prisma, ( c ) Pirámide, ( d ) Tetraedro, ( e ) Tetraedro lateral. Consulte la Tabla 1 para conocer las coordenadas de las PU.

En la configuración de cubo que se muestra en la Figura 3 a, hay ocho PU, la mayor cantidad en todas las configuraciones consideradas, y están colocadas en la superficie del dirigible a igual distancia entre sí, formando la posición de las PU una cubo interno. Esta configuración permite el uso de un diseño de impulsor no simétrico, ya que hay dos PU que giran en sentido contrario en todas las direcciones, por lo que el par no deseado producido por un impulsor que gira puede ser cancelado por otro impulsor adyacente que gira en la dirección opuesta con el misma velocidad. La gran cantidad de actuadores también permite controlar esta configuración en los seis DoF con la adición del control del ángulo de cabeceo y balanceo. El grado de libertad extra controlable puede permitir nuevos casos de uso, por ejemplo, el control del campo de visión de una cámara montada fija en el dirigible. De todas las configuraciones consideradas, esta es la única que no contiene ningún acoplamiento entre movimientos en los seis DoF. Sin embargo, un sistema de propulsión con dicha configuración también será más pesado y reducirá el presupuesto de masa para otros componentes, como la batería.

En la configuración de prisma que se muestra en la Figura 3 b, hay seis PU montadas de manera contrarrotante, con la posición de montaje de los impulsores formando una forma de prisma interno. El grupo superior e inferior de PU se montan con un ángulo desplazado𝛼

desde el plano horizontal XY. Los pares de PU superior e inferior adyacentes pueden trabajar juntos en contrarrotación para cancelar el momento de guiñada neto mientras se trasladan en una dirección particular. Sin embargo, puede estar en desventaja ya que sus movimientos de guiñada y altitud están acoplados debido al número impar de PU en la parte superior e inferior.

En la configuración piramidal que se muestra en la Figura 3 c, hay cinco PU en total, con cuatro de las PU montadas en el hemisferio inferior del dirigible, mirando hacia los lados y ligeramente hacia abajo en el ángulo.𝛼

. Las cuatro PU inferiores forman la base de la forma piramidal y la quinta PU se coloca en la parte superior y se alinea con el eje Z del cuerpo del dirigible, para formar el pico en la forma piramidal. Esta configuración tiene un número impar de PU en la parte superior y un número par en la parte inferior. Esto significa que su movimiento ascendente está acoplado con la guiñada, mientras que el movimiento descendente está desacoplado de la guiñada. Sus movimientos de traslación lateral están ligeramente acoplados tanto con la altitud como con la guiñada, pero esto se puede resolver fácilmente mediante el uso de un controlador de retroalimentación.

La configuración del tetraedro que se muestra en la Figura 3 d es similar a la configuración de la pirámide en la Figura 3 c, excepto que tiene cuatro PU en total, y solo tres PU forman la base interna de la forma del tetraedro. Esta configuración utiliza el número más bajo de PU, con un número impar de PU tanto para la parte superior como para la inferior, acoplando el movimiento vertical con la guiñada. Tiene una PU menos para el movimiento lateral en comparación con la configuración piramidal, que combina el movimiento lateral con el control de guiñada. De manera similar, este acoplamiento entre el movimiento lateral y la guiñada se puede resolver mediante el uso de un controlador de retroalimentación.

Por último, se explora una configuración de tetraedro lateral con cuatro PU que se muestra en la Figura 3 e. La diferencia entre la configuración de tetraedro lateral y tetraedro es la orientación interna de la forma, donde la configuración de tetraedro tiene una base alineada horizontalmente y la configuración de tetraedro lateral tiene su borde en la parte inferior. Esta configuración tiene pares de PU montadas en el hemisferio superior e inferior y desacopla completamente el movimiento vertical de la guiñada. Está ligeramente acoplado para movimiento lateral y guiñada, lo que también se puede resolver mediante un controlador de retroalimentación.Las coordenadas de posición de las PU para cada configuración se pueden encontrar en la Tabla 1.

2.3. Dinámica del sistema y control del dirigible de propulsión de unidades múltiples

De las cinco configuraciones del sistema de propulsión descritas en la Sección 2.2 , la configuración del tetraedro lateral fue investigada en nuestro artículo anterior [ 20 ], con resultados experimentales que muestran controlabilidad, con solo cuatro PU. En este artículo, se selecciona la configuración del cubo con ocho PU sobrantes para su análisis y comparación con la configuración del tetraedro lateral.

Como se identificó en nuestro artículo anterior [ 20 ], la PU bidireccional requiere la inversión de la dirección de rotación en vuelo para el control del par en la configuración de tetraedro lateral. Sin embargo, esta inversión no se puede lograr rápidamente debido a la inercia rotacional del impulsor, lo que resulta en un retraso durante la inversión rotacional que afecta el rendimiento del control de la configuración de tetraedro lateral. La disposición de las PU en la configuración de tetraedro lateral también introduce el acoplamiento entre diferentes ejes de control; por ejemplo, cuando se requiere traslación horizontal, solo se activa una PU, lo que produce un par que resulta en una desviación de guiñada, que debe corregirse con otras PU. Esto complica el algoritmo de control del sistema y dio lugar a un prototipo con un rendimiento de control inferior al ideal.

Para abordar estos problemas de control, la configuración cúbica utiliza PU unidireccionales, que no requieren inversión de rotación con los beneficios adicionales del mayor empuje y eficiencia del impulsor de paletas curvas. Con el doble de número de PU en comparación con la configuración de tetraedro lateral, la disposición cúbica de las PU en la configuración de cubo permite que las PU trabajen en pares contrarrotativos para cancelar el torque de cada uno, lo que elimina el problema del acoplamiento de control en el configuración de tetraedro lateral. El número adicional de PU en la configuración de cubo también permite un control adicional de los ejes de cabeceo y balanceo, que no estaba presente en la configuración de tetraedro lateral.

Las siguientes subsecciones describen el modelo dinámico del dirigible para las configuraciones del cubo.

Modelo dinámico de configuración del cubo

El diagrama de cuerpo libre de la configuración del cubo se ilustra en la Figura 4 ; el marco mundial se denota como𝝃𝑾 y la estructura del cuerpo𝝃𝑩. Las PU están montadas en la superficie del dirigible esférico con las coordenadas formando internamente un cubo con bordes de igual longitud, lo que significa que cada PU está montada a la misma distancia de las PU adyacentes. El sentido de rotación de cada PU es el opuesto al de sus PU adyacentes, lo que significa que, a medida que P1 gira en sentido antihorario, sus PU adyacentes (P2, P4 y P5) giran en el sentido de las agujas del reloj. La flecha de rotación azul en cada una de las PU que se muestra en la Figura 4 indica su dirección de rotación. Cada una de las PU es capaz de producir empuje.𝑭𝑷 y par𝝉𝑷 , como se indica en las ecuaciones ( 2 ) y ( 3 ), respectivamente.

Figura 4. Diagrama de cuerpo libre de SpICED (Cube) con PU de impulsor de paletas curvas.

Como se ilustra en la Figura 4 , P1, P3, P6 y P8 giran en el sentido contrario a las agujas del reloj, y P2, P4, P5 y P7 giran en el sentido de las agujas del reloj.

Las baterías y los componentes electrónicos están montados tanto en la parte superior como en la inferior del cuerpo del dirigible; así, el CG del dirigible coincide con el centro geométrico del cuerpo esférico del dirigible, con la fuerza de sustentación del gas helio.𝑭𝑯. Actuando directamente sobre el CG, anulando la fuerza de gravedad.𝑭𝑮 debido a su flotabilidad neutra. Como no hay una distancia de compensación entre la fuerza de elevación y la fuerza de gravedad, no hay momento de restauración en los ejes de cabeceo y balanceo que están presentes en la configuración de tetraedro lateral, y el dirigible puede girar libremente en los tres ejes. Esta es la propiedad que permite controlar el ángulo de cabeceo y balanceo en esta configuración. Sin embargo, debido al montaje de baterías pesadas en la parte superior e inferior del dirigible, los momentos de inercia de los ejes de cabeceo y balanceo son significativamente mayores que los del eje de guiñada.

La suma de fuerzas y momentos que actúan sobre el modelo se puede resumir de la siguiente manera:

∑ 𝑭=𝑭𝑷𝟏+𝑭𝑷𝟐+𝑭𝑷𝟑+𝑭𝑷𝟒+𝑭𝑷𝟓+𝑭𝑷𝟔+𝑭𝑷𝟕+𝑭𝑷𝟖+𝑭𝑯+𝑭𝑮   (4)

∑ 𝑴=𝝉𝑷𝟏+𝝉𝑷𝟐+𝝉𝑷𝟑+𝝉𝑷𝟒+𝝉𝑷𝟓+𝝉𝑷𝟔+𝝉𝑷𝟕+𝝉𝑷𝟖   (5)

 Utilizando las ecuaciones de Newton-Euler, la dinámica de traslación y rotación del dirigible se puede escribir de la siguiente manera:

{𝑚𝒗˙= ∑ 𝑭𝑰𝝎𝑩˙= -𝝎𝑩× 𝑰𝝎𝑩+ ∑ 𝑴    (6)

donde m es la masa del dirigible, 𝑰 es el momento de inercia del dirigible respecto de su CG, y𝝎𝑩 es la velocidad angular del dirigible.

En comparación con la configuración del tetraedro lateral, la configuración del cubo difiere en la posición de su CG. El CG en la configuración de tetraedro lateral está debajo del centro geométrico de su envoltura esférica del dirigible debido a la ubicación de su batería y electrónica. La distancia entre los puntos de la fuerza de elevación de los gases de helio y la fuerza de gravedad provoca un momento de autoadrización alrededor de los ejes de cabeceo y balanceo del dirigible. Esta diferencia es intencional, ya que la configuración del tetraedro lateral está diseñada para ser controlable en cuatro DoF, mientras que la configuración del cubo es controlable en seis DoF.

2.4. Sistema de control de circuito cerrado

Para la configuración de tetraedro lateral, los controladores Proporcional-Integral-Derivativo (PID) solo se aplican para cada uno de los cuatro grados de libertad controlables, es decir, las posiciones X, Y, Z y el ángulo de guiñada (𝜓), mientras que la configuración del cubo tiene dos DoF controlables adicionales, a saber, el tono (𝜃) y rodar (𝜙) ángulo, como se muestra en la Figura 5 . La salida de los controladores se alimenta a un mezclador de salida de control único que asigna la salida del controlador a una señal del actuador para cada PU. [𝑢1,𝑢2,𝑢3,𝑢4,𝑢5,𝑢6,𝑢7,𝑢8].

Figura 5. Diagrama de control de SpICED (Cube).

2.5. Mezcla de salida de control para configuración de cubo

Mientras que la configuración de tetraedro lateral utiliza PU con un impulsor recto, que está diseñado para girar en ambas direcciones, para la configuración de cubo, utiliza PU con un impulsor de paletas curvas que, como se menciona en la Sección 2.1, está diseñado para girar solo en una sola dirección. Por lo tanto, las direcciones de rotación de las PU son fijas, lo que simplifica el algoritmo de mezcla ya que no es necesario que las PU cambien su dirección de rotación. El algoritmo de mezcla que se detalla a continuación asigna la salida del controlador a diferentes conjuntos de PU, según la dirección de control.

La Figura 6 ilustra las PU específicas utilizadas para activar el control de posición en los ejes X, Y y Z. Para el movimiento en los ejes X, Y y Z, las cuatro PU en el hemisferio que mira hacia la dirección del movimiento se activan simultáneamente, con dos conjuntos de PU, cada uno de los cuales gira en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj. Por ejemplo, para moverse en el+𝑋𝐵 dirección, P2 y P7 girarán en el sentido de las agujas del reloj, mientras que P3 y P6 girarán en el sentido contrario a las agujas del reloj. Como resultado, las PU produjeron pares y fuerzas que no están alineados con el+𝑋𝐵 dirección. Estos se cancelan, dejando sólo el vector de fuerza combinado en el+𝑋𝐵 dirección.

Figura 6. Mapeo de control del empuje y torsión de PU al movimiento del cuerpo SpICED (Cubo) en la posición de los ejes X, Y y Z.

Por lo tanto, la mezcla de control de posición X, Y y Z se define de la siguiente manera:

{𝑢2𝑋=𝑢3𝑋=𝑢6𝑋=𝑢7𝑋= |𝜅𝑋𝑌𝑍máximo ( 0 ,𝑈𝑋)

               |𝑢1𝑋=𝑢4𝑋=𝑢5𝑋=𝑢8𝑋= |𝜅𝑋𝑌𝑍mín ( 0 ,𝑈𝑋) |              (7)

{𝑢1𝑌=𝑢2𝑌=𝑢5𝑌=𝑢6𝑌= |𝜅𝑋𝑌𝑍máximo ( 0 ,𝑈𝑌)

              |𝑢3𝑌=𝑢4𝑌=𝑢7𝑌=𝑢8𝑌= |𝜅𝑋𝑌𝑍mín ( 0 ,𝑈𝑌) |              (8)

                                                            {𝑢1𝑍=𝑢2𝑍=𝑢3𝑍=𝑢4𝑍= |𝜅𝑋𝑌𝑍máximo ( 0 ,𝑈𝑍)

             |𝑢5𝑍=𝑢6𝑍=𝑢7𝑍=𝑢8𝑍= |𝜅𝑋𝑌𝑍mín ( 0 ,𝑈𝑍) |               (9)

Dónde 𝜅𝑋𝑌𝑍 es la ganancia de mezcla para el movimiento de traslación. Máx (0 , 𝑈) y mín(0 , 𝑈) Las funciones comprueban si la señal de control es positiva o negativa. Por ejemplo, si𝑈𝑌 es negativo, esto indica que el controlador tiene la intención de ir hacia la dirección Y negativa , lo que resulta en la activación de 𝑢3𝑌,𝑢4𝑌, 𝑢7𝑌 y 𝑢8𝑌

. Tenga en cuenta que las señales del actuador son valores absolutos debido a la dirección de rotación fija de las PU mencionadas en la Sección 2.3 .

La Figura 7 ilustra las PU específicas utilizadas para activar el control de actitud en el Pitch (𝜃 ), Rollo (𝜙) y guiñada (𝜓) ejes. Para el control de actitud, se activan simultáneamente las PU con una dirección de torsión que se alinea con la dirección de rotación prevista en actitud. Por ejemplo, para rotar el dirigible en el+ 𝜓 dirección alrededor del eje Yaw, P2, P4, P6 y P8 se activan simultáneamente para producir torque. Debido a la ubicación de estas PU, las fuerzas de empuje producidas por las PU se anulan entre sí. En este caso, el empuje producido por P2 se anula con el empuje producido por P8, y el empuje producido por P4 se anula con el empuje producido por P6. Por lo tanto, solo el torque producido por las PU permanece y hace girar el cuerpo del dirigible alrededor del eje Yaw.

Figura 7. Mapeo de control del empuje y torsión de la PU al movimiento del cuerpo SpICED (Cubo) en Pitch (𝜃 ), Rollo (𝜙 ) y guiñada (𝜓 ) ángulo.

Por lo tanto, el tono (𝜃), Rollo (𝜙) y guiñada (𝜓) la mezcla de control de posición se define como sigue:

{𝑢1𝜃=𝑢2𝜃=𝑢7𝜃=𝑢8𝜃= |𝜅𝜃𝜙𝜓máximo ( 0 ,𝑈𝜃)

|𝑢3𝜃=𝑢4𝜃=𝑢5𝜃=𝑢6𝜃= |𝜅𝜃𝜙𝜓mín ( 0 ,𝑈𝜃) |                  (10)

⎧⎩⎨𝑢2𝜙=𝑢3𝜙=𝑢5𝜙=𝑢8𝜙= |𝜅𝜃𝜙𝜓máximo ( 0 ,𝑈𝜙)

 |𝑢1𝜙=𝑢4𝜙=𝑢6𝜙=𝑢7𝜙= |𝜅𝜃𝜙𝜓mín ( 0 ,𝑈𝜙) |                   (11)

⎧⎩⎨𝑢2𝜓=𝑢4𝜓=𝑢6𝜓=𝑢8𝜓= |𝜅𝜃𝜙𝜓máximo ( 0 ,𝑈𝜓)

 |𝑢1𝜓=𝑢3𝜓=𝑢5𝜓=𝑢7𝜓= |𝜅𝜃𝜙𝜓mín ( 0 ,𝑈𝜓) |                   (12)

dónde𝜅𝜃𝜙𝜓 es la ganancia de mezcla para el movimiento de rotación.

Finalmente, las salidas de control de todos los algoritmos de mezcla se combinan y se envían como comandos de actuador a las ocho PU, de la siguiente manera:

𝑢𝑛=𝑢𝑛𝑋+𝑢𝑛𝑌+𝑢𝑛𝑍+𝑢𝑛𝜃+𝑢𝑛𝜙+𝑢𝑛𝜓       (13)

dónde𝑛 = { 1 , 2 , 3 , . . . , 8 }

Las ganancias de mezcla y las ganancias de PID para la configuración de cubo se dan en la Tabla 2.

3. Prototipo y Diseño Experimental

3.1. Prototipo de unidad de propulsión

La Figura 8 muestra el prototipo de la PU y sus componentes. El motor de CC sin escobillas utilizado en la construcción del prototipo de PU era un motor de CC sin escobillas de 18 mm de diámetro y 2900 rpm/V utilizado en el Mavic Mini de DJI [ 23 ], un cuadricóptero en miniatura de menos de 250 g de peso. Se eligió el motor por su reducido peso de sólo 6,7 g; sin embargo, está diseñado para hacer girar hélices pequeñas, livianas y de giro rápido, lo que significa que no hay suficiente torque para hacer girar objetos con un mayor momento de inercia. Esta limitación significa que el diseño del impulsor del PU debe ser liviano y de pequeño diámetro para reducir su momento de inercia alrededor del eje de rotación. La Figura 8 c muestra el prototipo de impulsor de paletas curvas con un diámetro de 80 mm y la Figura 8 d muestra el prototipo de impulsor de paletas rectas con un diámetro de 90 mm. Los prototipos del impulsor y del soporte del motor se imprimieron en 3D utilizando la tecnología Multi Jet Fusion [ 24 ] de HP, con el PA12GB, un material termoplástico relleno de perlas de vidrio, para reducir el espesor de la carcasa del impulsor a 0,6 mm y al mismo tiempo garantizar la rigidez. de las partes.

El motor DC sin escobillas en la PU se alimentaba a través de un cable de Circuito Impreso Flexible (FPC) que contenía los tres cables para la alimentación trifásica del motor sin escobillas. El FPC se colocó debajo de la base del soporte del motor y se adhirió a la superficie del sobre del dirigible mediante adhesivos de doble cara. El uso de un FPC es necesario para reducir el grosor de los cables que salen del PU, lo que puede interrumpir el flujo de aire acelerado a lo largo de la superficie producido por los impulsores giratorios.

3.2. Prototipo de cubo

La Figura 9 muestra el prototipo SpICED con la configuración de propulsión cúbica. La envoltura del globo de aluminio utilizada era la misma que la del prototipo del tetraedro lateral, que estaba completamente inflado con gas helio hasta obtener una forma esférica de unos 80 cm de diámetro, que contenía alrededor de 0,268 m.3 Volumen de gas helio. Dado que la capacidad de elevación del gas helio al nivel del mar es de 1,114 kg/m3, el volumen de gas helio contenido en la envoltura era capaz de elevar unos 298 g.

 Figura 9. Foto del prototipo SpICED (Cube).

Se montaron dos conjuntos de sistemas de propulsión idénticos en la parte superior e inferior de la envoltura esférica del dirigible, cada conjunto con cuatro PU, conectados al controlador electrónico de velocidad (ESC) 4 en 1 a través de un nuevo cable FPC con infrarrojos (IR) integrados. LED como marcadores activos de seguimiento de movimiento IR, como se muestra en la Figura 10 , como marcadores activos para el sistema de captura de movimiento. Cada conjunto de sistema de propulsión también tenía su propia unidad de placa de circuito impreso (PCB) de control de vuelo diseñada a medida y su propia batería. El posicionamiento de las PU, con su conexión a la electrónica y batería, se realizó de acuerdo con las coordenadas mencionadas en la Tabla 1 , y el diseño ilustrado en el diagrama de cuerpo libre de la Figura 4 .

Figura 10. LED IR montados en superficie en cables FPC que conectan las PU al ESC.

La Figura 11 muestra una PCB de control de vuelo personalizada de seis capas que fue diseñada para integrar electrónica de potencia, sensores y un microcontrolador con capacidad WiFi para comunicaciones inalámbricas y para procesar datos de sensores para algoritmos de control de vuelo a bordo del prototipo SpICED.

Figura 11. PCB de control de vuelo diseñado a medida.

La Figura 12 muestra el sistema electrónico montado en el prototipo SpICED, junto con la ubicación de los componentes principales, como la batería, ESC, y su conexión a las PU a través de los cables FPC, con los LED infrarrojos utilizados como marcadores activos para la captura de movimiento. sistema. La Tabla 3 muestra el desglose de los pesos de diferentes sistemas y componentes a bordo del prototipo SpICED (Cube).

Tabla 3. Especificaciones del prototipo SpICED (Cube).

En la Figura 13 se muestra una comparación de la distribución de masa con el prototipo del tetraedro lateral . Debido al menor número de PU en la configuración de tetraedro lateral, la proporción masiva de PU y electrónica fue un 19 % y un 6 % menor en comparación con la configuración de cubo, mientras que la capacidad de batería/carga útil fue un 25 % mayor en comparación con la configuración de cubo.

3.3. Configuración de medición del rendimiento de la unidad de propulsión

El rendimiento de la PU se midió utilizando la configuración que se muestra en la Figura 14 , midiéndose y registrándose las RPM, la fuerza y ​​el torque de la PU. La carcasa del hemisferio utilizada en la instalación se produjo llenando un molde de hemisferio acrílico con espuma autoexpandible de poliuretano. Se colocó un sensor de fuerza-torque ATI Nano43 debajo de la carcasa del hemisferio utilizando adhesivo de doble cara para medir la fuerza y ​​el torque producido por la PU. La velocidad de rotación del impulsor se midió utilizando el ESC midiendo la fuerza contraelectromotriz producida por el giro del motor CC sin escobillas. La primera prueba consistió en un programa que alterna entre 10 niveles de aceleración de 0 a 100% para medir la relación entre la velocidad de rotación del impulsor y la fuerza y ​​el torque producido por la PU.

3.4. Configuración del experimento de control de circuito cerrado

La Figura 15 muestra el diagrama del sistema electrónico y de control implementado en el sistema prototipo SpICED. El sistema de control y electrónica a bordo constaba de cuatro conjuntos de motores CC sin escobillas en las PU, cada uno controlado por un ESC que recibe energía de una batería de polímero de litio de dos celdas, con señales de aceleración recibidas directamente desde un receptor de control de radio/WiFi a bordo. Para el prototipo SpICED con configuración de cubo, había dos conjuntos idénticos de sistemas electrónicos y de energía a bordo, como se menciona en la Sección 3.2.

Figura 15. Interfaz electrónica del sistema de captura de movimiento al prototipo SpICED.

La posición del dirigible se capturó utilizando un sistema de captura de movimiento por infrarrojos y se introdujo en el código del bucle de control de la Figura 5 que se ejecuta en MATLAB en una PC externa conectada a las cámaras de captura de movimiento. Luego, la salida calculada de los controladores PID se pasó a través de un algoritmo mezclador, que la convierte al valor del acelerador para cada una de las PU. Finalmente, la señal de aceleración fue enviada al prototipo SpICED a través del módulo transmisor de radiocontrol/WiFi. Posteriormente, las señales de aceleración recibidas se enviaron a los ESC individuales, que controlan la velocidad de rotación de las PU individuales.

 4. Resultados del experimento

4.1. Resultados de rendimiento de los prototipos de unidades de propulsión

Como descubrimos en el artículo anterior, las PU bidireccionales con impulsores de paletas rectas utilizadas en el prototipo del tetraedro lateral producen empuje y torsión simétricos en rotaciones tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario a las agujas del reloj. Sin embargo, tuvieron una respuesta transitoria deficiente cuando se invirtió su dirección de rotación debido al motor CC sin escobillas de bajo torque que se utilizó y al mayor momento de inercia del impulsor en comparación con la hélice liviana para la que fue diseñado el motor. Por lo tanto, al utilizar más PU con direcciones de rotación fijas en la configuración del cubo, estamos interesados ​​en comparar el rendimiento de las PU bidireccionales y las PU unidireccionales.

4.1.1. Unidad de propulsión unidireccional con impulsor de paletas curvas

Como la PU unidireccional está equipada con un impulsor de paletas curvas, el rendimiento de empuje y torsión de las direcciones de rotación hacia adelante y hacia atrás difería.

La Figura 16 muestra el empuje y el par medidos de la PU unidireccional frente a la velocidad de rotación. 𝜔2, como lo captura la configuración de medición del rendimiento en la Figura 14 con la superficie del hemisferio curvado. El ESC proporciona una señal del actuador con 10 pasos iguales del 0% al 100%, con 2 s de estado estable𝐹𝑃,𝜏𝑃y𝜔 mediciones recopiladas en cada paso, que luego se promediaron para producir los puntos de datos que se muestran en la Figura 16 . En la dirección de rotación hacia adelante, el impulsor de paletas curvas es capaz de alcanzar una mayor velocidad de rotación, junto con un mayor empuje y un menor par. En la dirección de rotación inversa, el impulsor gira más lentamente, con una entrada del actuador similar, produciendo menos empuje y más torque. El empuje máximo producido en la dirección de rotación hacia adelante es aproximadamente un 60,9% mayor que el empuje máximo producido en la dirección de rotación inversa.

Según los datos medidos de empuje y torsión del experimento que se muestra en la Figura 16 , el𝛽𝑡y𝛽𝑑 de la PU unidireccional, como se menciona en las ecuaciones ( 2 ) y ( 3 ), son𝛽𝑡= 2,133 ×10− 7,𝛽𝑑= 9,84 ×10− 6

.

4.1.2. Comparación entre PU bidireccionales y unidireccionales

La Figura 17 muestra el empuje y el par medidos de las PU bidireccionales y unidireccionales frente al nivel de señal del actuador enviado al ESC que impulsa la PU. El ESC recibió una señal del actuador con 10 pasos iguales del 0% al 100%, con 2 s de estado estable 𝐹𝑃y𝜏𝑃 ediciones recopiladas en cada paso, que luego se promediaron para producir los puntos de datos que se muestran en la Figura 17 . Este experimento se repitió tanto para el impulsor de paletas rectas como para el impulsor de paletas curvas en el sentido de giro de las agujas del reloj. La PU unidireccional con impulsor curvo es capaz de producir alrededor de un 27,7 % más de empuje máximo con menos par en comparación con la PU bidireccional con impulsor recto.

La Figura 18 muestra la potencia y eficiencia medidas de las PU bidireccionales y unidireccionales frente al nivel de señal del actuador enviada al ESC que impulsa la PU. Al ESC se le dio una señal del actuador con 10 pasos iguales del 0% al 100%, con 2 s de potencia en estado estable, y𝐹𝑃 Se recogieron mediciones en cada paso, que luego se promediaron para calcular la eficiencia que se muestra en la Figura 18 . Este experimento se repitió para impulsores de paletas rectas y curvas en el sentido de giro de las agujas del reloj. Al comparar el consumo de energía eléctrica y la eficiencia de las PU, la Figura 18 muestra que la PU unidireccional con un impulsor curvo consume menos energía eléctrica y es más eficiente energéticamente en comparación con la PU bidireccional con un impulsor recto, que alguna vez estuvo por encima. Rango del 20% de la señal del actuador. A medida que la señal del actuador aumenta en más de un 30%, el consumo de energía de las PU aumentó drásticamente, mientras que la eficiencia se redujo significativamente. Esto sugiere que las PU funcionan con la mejor eficiencia alrededor del 20-30% del rango de la señal del actuador.

Figura 18. Comparación de Potencia y Eficiencia de dos tipos de PU versus porcentaje de señal del actuador.

4.2. Respuesta del control de pasos para control de altitud, cabeceo, balanceo y guiñada

Se realizó un experimento de respuesta escalonada para determinar el rendimiento del controlador de altitud, cabeceo, balanceo y guiñada en el prototipo SpICED (Cube). El rendimiento de la respuesta escalonada del control de altitud se puede ver en la Figura 19 , que muestra una sección de los datos experimentales para una mejor visualización. Se proporcionó un total de 14 entradas de pasos alternos con puntos de ajuste Z que alternaban entre 1,0 m y 1,5 m cada 20 s para el control de altitud, y el tiempo promedio de aumento de 0 a 90% fue de 7,23 s, lo que indica un rendimiento de respuesta de paso de altitud similar en comparación. al tiempo de subida de 7,2 s en el prototipo SpICED (Side-tetra.) en nuestro artículo anterior [ 20 ].

El rendimiento de la respuesta escalonada del control de guiñada se puede ver en la Figura 20 , que muestra una sección de los datos experimentales para una mejor visualización. Un total de 15 entradas de paso alternas con puntos de ajuste de guiñada que alternan entre 0∘y 90∘ se proporcionaron cada 30 s para el control de guiñada, y un tiempo de subida promedio que oscila entre 0 % y 90 % es de 6,39 s, lo que indica un rendimiento de respuesta de paso de guiñada similar en comparación con el tiempo de subida de 6,38 s en el prototipo SpICED (Side-tetra.) en nuestro artículo anterior [ 20 ].

El rendimiento de la respuesta escalonada del control de cabeceo y balanceo se puede ver en la Figura 21 y la Figura 22 , que muestran una sección de los datos experimentales para una mejor visualización. Un total de 14 entradas de paso alternas con puntos de ajuste de cabeceo y balanceo que alternan entre +45∘ y −45∘ Se administraron cada 30 s para el control de cabeceo y balanceo. El tiempo medio de subida de 0% a 90% para el control de cabeceo fue de 7,25 s y de 6,15 s para el control de balanceo. Puede encontrar un vídeo compilado del experimento de respuesta escalonada en: https://youtu.be/-26HgRGj5Zc (consultado el 28 de julio de 2022).

Figura 21. Respuesta al paso de rodadura de SpICED (Cube).

Figura 22. Respuesta al paso de tono de SpICED (Cube).

Según el resultado de la respuesta al paso del prototipo SpICED (Cube), las desviaciones fueron relativamente menores en comparación con la respuesta al paso del prototipo SpICED (Side-tetra.) en nuestro artículo anterior [ 20 ], excepto para los ejes de cabeceo y balanceo. debido a la naturaleza autoestabilizadora de la configuración del tetraedro lateral con un CG más bajo. Esto puede deberse al uso de PU unidireccionales, lo que elimina la necesidad de cambiar la dirección de rotación de las PU para el control de actitud. Esto elimina el tiempo de retraso para la inversión de la rotación, como se menciona en nuestro artículo anterior [ 20 ], lo que permite un control más preciso y sensible de la posición y la actitud.

El controlador de cabeceo y balanceo, con las mismas ganancias PID que el controlador de guiñada, produjo una respuesta escalonada que es diferente del control de guiñada. Esto se debe a la diferencia en el momento de inercia entre los ejes de cabeceo/giro y guiñada, y los ejes de cabeceo y balanceo tienen un momento de inercia mucho mayor debido a la ubicación de las baterías y la electrónica de control en la parte superior e inferior de la esfera esférica del dirigible. cuerpo.

A partir del resultado de este experimento de respuesta de control de pasos, podemos determinar algunos parámetros de rendimiento, que pueden compararse con ZeRONE [ 14 ] con su sistema de propulsión de matriz de microventiladores piezoeléctricos. El prototipo ZeRONE logró una aceleración de ascenso y descenso vertical de aproximadamente 0,01275 m/s2, mientras que el prototipo SpICED (Cube) alcanzó 0,05339 m/s2. En términos de aceleración de rotación, el ZeRONE logró aproximadamente 4∘/s2, mientras que el prototipo SpICED (Cube) logró 21,23∘/s2 . Este resultado muestra que el sistema de propulsión de SpICED es capaz de producir una mayor aceleración lateral y rotacional en comparación con ZeRONE.

4.3. Rendimiento de seguimiento de waypoints 2D

Para una comparación directa del rendimiento del control entre las configuraciones SpICED (Side-tetra.) y SpICED (Cube), se realizó un experimento de waypoint 2D para ambos prototipos, que prueba la capacidad de los prototipos para trasladar horizontalmente los ejes 𝑋𝑌.

A los prototipos SpICED se les asignó la tarea de seguir una serie de objetivos de puntos de referencia cambiantes en intervalos de 30 s, utilizando cuatro puntos de referencia con coordenadas 𝑋𝑌  de [1.0, 1.0], [−1.0, 1.0], [−1.0, −1.0], [1.0, −1.0]. A lo largo del experimento, la altitud deseada se estableció en 1,2 m con el rumbo deseado en 90 grados. Los prototipos SpICED siguieron los cuatro puntos de referencia durante tres rondas con un rendimiento consistente, y el resultado experimental de una de las tres rondas se muestra en la Figura 23, con el gráfico superior mostrando una trayectoria 2D de los vuelos realizados en el plano 𝑋𝑌, y el gráfico inferior que muestra la trayectoria en 3D. La Figura 24 muestra los datos de vuelo con respecto al tiempo, incluida la altitud y la guiñada con puntos de ajuste, que se mantuvieron constantes durante todo este experimento. Puede encontrar un vídeo de este experimento en: https://youtu.be/PGb66QrO0ik (consultado el 28 de julio de 2022).

Figura 23. Gráfico de trayectoria de prototipos SpICED en un experimento de waypoint.

La Tabla 4 es el error cuadrático medio (RMS) calculado de la trayectoria de los dos prototipos en cada eje del experimento del punto de referencia. Como puede verse, el prototipo SpICED (Cube) tiene significativamente menos errores en comparación con el prototipo SpICED (Side-tetra.). Según este experimento de waypoint, se logró una reducción de alrededor del 30 % al 40 % en el error RMS de𝑋,𝑌, 𝑍 , 𝜓 El control de posición se puede ver al comparar el prototipo SpICED (Cube) con el prototipo SpICED (Side-tetra.).

 Tabla 4. Error RMS de prototipos en experimento de waypoint

A partir de los resultados de este experimento, se puede ver que el prototipo SpICED (Cube) puede seguir las rutas directas entre los puntos de referencia más de cerca que el prototipo SpICED (Side-tetra.) con menos desviaciones. Además, las grandes desviaciones en altitud y guiñada durante el movimiento del eje X del prototipo SpICED (Side-tetra.) muestran que existen problemas de acoplamiento en la configuración del tetraedro lateral entre el movimiento horizontal y el movimiento y rotación vertical, debido a la ubicación de las PU, como se muestra en la Figura 3 e, donde la PU única activada para el empuje horizontal también produce componentes de empuje y torsión verticales. La fuerte corrección en la posición del eje X del prototipo de tetraedro lateral entre los 50 y 55 s del experimento se debe posiblemente al cambio de dirección de rotación de las PU, que toma alrededor de 3,5 s, como se descubrió en nuestro artículo anterior. papel [ 20 ]. En este escenario, a medida que las PU reducen la velocidad para invertir la dirección de rotación, el prototipo del dirigible pierde temporalmente el control de vuelo y, por lo tanto, se desvía de su trayectoria prevista, de la que luego se recupera agresivamente cuando se invierten las direcciones de rotación de las PU.

En conclusión, el prototipo SpICED (Cube) puede seguir los puntos de referencia y mantener su altitud y control de guiñada significativamente mejor, con menos desviaciones, en comparación con el prototipo SpICED (Side-tetra.). Esto es de esperarse, ya que la configuración SpICED (Cube) utiliza el doble de PU, que solo giran en una sola dirección, por lo que no hay problemas con el tiempo de retraso asociado con la inversión de rotación en comparación con la PU bidireccional en el Prototipo SpICED (Side-tetra.). La configuración SpICED (Cube) tampoco tiene problemas de acoplamiento entre el control de diferentes ejes debido a la colocación de pares de PU contrarrotativos, que pueden cancelar cualquier empuje y torsión no deseados.

5. Conclusiones

En el artículo anterior, la configuración de tetraedro lateral elegida para la creación de prototipos mostró problemas de acoplamiento al intentar la traslación horizontal, lo que produjo fuerzas y pares no deseados a lo largo del eje vertical del dirigible. Junto con el alto tiempo de retraso causado por la inversión de rotación del PU, se encontraron grandes desviaciones en la altitud y el rumbo cada vez que se le pedía al dirigible que se trasladara horizontalmente. Como el tiempo de retraso no se modeló en la simulación, la diferencia en el resultado del seguimiento del punto de referencia muestra su influencia significativa en el rendimiento del control.

Para la configuración de cubo probada en este artículo, el uso de más PU permitió que la PU fuera unidireccional y eliminó la necesidad de invertir la rotación, lo que mejoró significativamente el rendimiento del control de vuelo del prototipo de dirigible. Sin embargo, el uso de más PU hizo que el peso del sistema de propulsión casi se duplicara, ocupando el 45,6% del presupuesto de peso total, quedando menos presupuesto de peso para la batería y el sistema electrónico.

En este artículo, se presenta una prueba de concepto para un diseño de dirigible esférico seguro con PU, que proporcionan empuje a través del efecto Coandă. Se presentaron y simularon diferentes configuraciones de PU con el esquema de control desarrollado. Se realizaron experimentos con los prototipos de PU para determinar su rendimiento. Se desarrollaron dos sistemas prototipo de SpICED con configuraciones de tetraedro lateral y cubo y se utilizaron para realizar experimentos de control de vuelo. Por último, los resultados experimentales muestran que el sistema prototipo SpICED es controlable y se discutieron las diferencias.

Trabajo futuro

En el futuro, puede ser beneficioso explorar un diseño de controlador PID de avance para la configuración de tetraedro lateral para reducir las desviaciones en altitud y guiñada cuando sea necesario el movimiento horizontal. Un motor más pequeño y sin escobillas en la PU, con un par más alto para impulsar los impulsores, también puede mejorar el rendimiento del control, ya que el motor disponible actualmente en el mercado fue diseñado para impulsar hélices livianas. Las optimizaciones del diseño del impulsor de la PU pueden proporcionar más empuje y eficiencia, lo que también puede mejorar el rendimiento del control de SpICED.

Una vez verificada la controlabilidad de la plataforma SpICED, se podrían explorar otros aspectos de un dirigible sUAS para avanzar más en escenarios de uso comercial del mundo real. Algunas posibles áreas de investigación pueden implicar el uso de un sistema de localización interior de menor costo, como la triangulación utilizando un sistema de radio de banda ultraancha, ya que esto puede reducir el costo de implementación de un dirigible sUAS interior y aumentar la adopción. Para reducir el personal operativo del dirigible suUAS, también es necesario investigar tecnologías que puedan utilizarse para automatizar procesos como la carga de baterías y el llenado de helio debido a las pérdidas por la permeabilidad de la envoltura del dirigible. El desarrollo de una estación de acoplamiento para el dirigible sUAS puede permitir operaciones persistentes en el ambiente interior a través de procesos automatizados de recarga y recarga, y puede aumentar el atractivo de esta plataforma interior sUAS. El procesamiento de información, como imágenes, utilizando técnicas de aprendizaje automático también puede permitir funciones avanzadas, como el seguimiento del personal de tierra, o permitir nuevos modelos de interacción entre drones y humanos.

Contribuciones de autor

Conceptualización, YHP y SKHW; metodología, YHP y SKHW; software, YHP y SKHW;  validación, YHP, SKHW y SF; análisis formal, YHP y SKHW; investigación, YHP; recursos, SF; curación de datos, YHP; redacción: preparación del borrador original, YHP; redacción: revisión y edición, YHP y SKHW; visualización, YHP; supervisión, SF; administración de proyectos, SF; adquisición de financiación, SF Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Fondos

Esta investigación no recibió financiación externa.

Declaración de disponibilidad de datos

Datos disponibles bajo petición.

Conflictos de interés

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

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Pheh, YH; Kyi Hla Win, S.; Foong, S. Drone esférico con efecto coandă para interiores (SpICED): un dirigible esférico sUAS para uso seguro en interiores. Drones 2022 , 6 , 260. https://doi.org/10.3390/drones6090260

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Pheh YH, Kyi Hla Win S, Foong S. Drone esférico con efecto coandă para interiores (SpICED): un dirigible esférico sUAS para uso seguro en interiores. Drones . 2022; 6(9):260. https://doi.org/10.3390/drones6090260

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Pheh, Ying Hong, Shane Kyi Hla Win y Shaohui Foong. 2022. "Dron esférico con efecto coandă para interiores (SpICED): un dirigible esférico sUAS para uso seguro en interiores" Drones 6, no. 9: 260. https://doi.org/10.3390/drones6090260

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