Verbesserung der UAV-Stabilität mit swashplateless-Elevon-Aktivierung

Vertikale Starts und Landungen (VTOL) bei unbemannten Fluggeräten (UAVs) ermöglichen es, wie bei Multirotor-Drohnen zu starten und zu landen, während sie gleichzeitig effizient über lange Strecken fliegen, ähnlich wie Festflügler. Es gibt verschiedene Designs für diese UAVs, darunter Tilt-Rotor, Tilt-Wing und Tail-Sitter. Das Tail-Sitter-Design ist besonders nützlich, weil es keine zusätzlichen Neigeteile benötigt, was es einfacher und kompakter macht.

Innerhalb dieser Kategorie können Dual-Rotor Tail-Sitter UAVs weniger Motoren und Propeller verwenden als Quad-Rotor-Typen. Das macht sie leichter und einfacher zu transportieren. Allerdings haben diese UAVs einige Herausforderungen mit begrenzten Bewegungsbereichen und kleineren Steuerflächen, was ihre Stabilität und Leistung beeinträchtigen kann.

Ein erhebliches Problem tritt auf, wenn das UAV schwebt. Windböen können die Stabilität stark beeinflussen, besonders da die Flügel den Wind stark einfangen können. Die Kontrolle erfolgt hauptsächlich über Elevons (Flügelklappen), die bei der Steuerung von Nick- und Gierbewegungen helfen. Leider können die Elevons bei starkem Steuerungsbedarf für Nick und Gier überlastet werden, was zu einem Kontrollverlust oder Instabilität führen kann.

Zusätzlich beeinflusst der geringe Abstand zwischen den Elevons des UAV und dem Boden die Steuerungsmöglichkeiten während des Starts. Der Abwärtsluftstrom von den Rotoren kann die Elevons stören, was zu unerwünschten Nickbewegungen führen kann, die potenziell zu Abstürzen führen.

Um diese Probleme anzugehen, wurde eine neue Aktionsmethode vorgeschlagen, die als schwenklosen Elevon-Aktion (SEA) bekannt ist. Diese Methode nutzt einen speziellen Mechanismus, der die Motorspeed anpassen kann, ohne zusätzliche Teile zu benötigen. Durch die Modifizierung der Geschwindigkeit der Motoren kann SEA zusätzliche Kontrolle für den Nick geben, während die Elevons für die Gier zuständig bleiben. Diese Trennung der Kontrolle ermöglicht ein besseres Handling, selbst bei windigen Bedingungen.

Das SEA-Design bietet eine Reihe von Vorteilen. Durch die Verringerung der Abhängigkeit von Elevons für die Nickkontrolle wird das Risiko einer Überlastung reduziert, was die Leistung verbessert. Es verbessert auch die Stabilität während des Starts, da der neue Mechanismus unabhängig vom Luftstrom der Rotoren arbeitet.

#UAV-Struktur

Das UAV, genannt Hong He, ist für effiziente Outdoor-Kartierungs- und Scanning-Aufgaben konzipiert. Es ist mit fortschrittlichen Werkzeugen ausgestattet, einschliesslich LiDAR (Light Detection and Ranging) für Langstreckenscans und einem praktischen Bordcomputer zur Datenverarbeitung. Das UAV hat eine Spannweite von 107 cm, wiegt etwa 2,25 kg und hat eine Reisegeschwindigkeit von etwa 9 m/s.

Die Körperstruktur des UAVs ist für eine einfache Montage und Wartung unter Verwendung von leichten Materialien konzipiert. Ein Flugcontroller steuert das System, das verschiedene Komponenten wie Motoren, Servos für die Elevons und Encoder, die die Rotorwinkel überwachen, verbindet.

#Schwenkloses Mechanismus

Der schwenklose Mechanismus ahmt bestimmte Funktionen von Hubschrauberkontrollen nach, die Schub und Steuerung ohne komplexe Komponenten ermöglichen. Diese Struktur umfasst passive Scharniere, die es der Motorrotation ermöglichen, einen unausgewogenen Schub zu erzeugen, der den benötigten Nickmoment erzeugt.

Dieses System ist so konzipiert, dass es reibungslos funktioniert, indem es die Reibung reduziert und so eine effiziente Bewegung und schnellere Reaktionen ermöglicht. Es verbessert die Fähigkeit des UAVs, mit verschiedenen Flugbedingungen und Störungen effektiver umzugehen.

#Überblick über das Steuerungssystem

Das Steuerungssystem für das UAV ermöglicht verschiedene Eingabemethoden, entweder manuell über einen Fernbedienung oder autonom über den Bordcomputer. Der Steuerungsbereich integriert Standardsoftware mit spezifischen Anpassungen für die SEA-Funktion.

#Aktionsprinzipien

Sowohl die SEA- als auch die traditionellen Elevon-Aktionsmethoden teilen einige Ähnlichkeiten in der Schuberzeugung und der Kontrolle von Rolle und Gier. Beide verwenden Motoren, um Auftrieb zu erzeugen, während die Elevons die Gierkontrolle übernehmen. Der wesentliche Unterschied bei SEA liegt jedoch in der Steuerung des Nicks. Anstatt auf Elevon-Anpassungen zu setzen, nutzt SEA Änderungen der Motorspeed, um die erforderliche Nickkontrolle bereitzustellen.

Diese Unterscheidung ermöglicht es jeder Steuerungsmethode, unabhängig zu arbeiten, was das Risiko einer Überlastung der Elevons während komplexer Manöver verringert. SEA kann dank dieser Trennung der Aufgaben eine verbesserte Kontrolle und Leistung bei der Handhabung von Störungen bieten.

#Vergleich der Leistung

Mehrere experimentelle Vergleiche wurden angestellt, um die Leistungsunterschiede zwischen SEA und konventioneller Elevon-Aktion (CEA) zu messen. Dazu gehören die Startleistung, die Fähigkeit, spezifische Flugbahnen zu verfolgen, und die Stabilität gegenüber Störungen.

#Startleistung

In Tests wurden drei Start-Szenarien analysiert: CEA unter normalen Bedingungen, CEA vom erhöhten Boden und SEA während eines regulären Bodensstarts. Es wurde klar, dass die konventionelle Methode aufgrund des Luftstroms in Bodennähe Schwierigkeiten hatte, was die Effektivität der Elevons beeinträchtigte.

Im Gegensatz dazu zeigte SEA eine bemerkenswerte Fähigkeit, die Kontrolle während des Starts aufrechtzuerhalten. Die erfassten Nickfehler waren mit SEA deutlich geringer, was seine Effektivität auch in Bodennähe zeigt.

#Bahnbestimmung

Zur Bewertung der Verfolgungsfähigkeit wurde ein Achtflugmuster in Experimenten verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass das UAV mit SEA seine Trajektorie besser einhielt als das, das CEA verwendete. SEA zeigte kleinere Positions- und Haltungsfehler, was seinen Vorteil bei präzisen Manövern bestätigt.

#Störungsabwehr

Stabil zu bleiben amid externen Störungen ist ein wichtiger Test für UAVs. Die Experimente beinhalteten das Halten der Schwimmposition unter Windbedingungen und das Ausführen von Positionsschritten bei Windböen.

In den Schwebetests gelang es beiden Aktionsmethoden, die Positionskontrolle aufrechtzuerhalten, aber SEA zeichnete sich durch die Minimierung von Fehlern in Bezug auf Nick und Position trotz der Turbulenzen aus. Während der Positionsschritte hatte das UAV mit CEA erhebliche Oszillationsprobleme im Nick und Gier, während SEA eine sanftere Reaktion mit minimalen Fehlern erreichte.

#Übergang und Festflügelmodus

Der Übergang vom Multirotor-Schweben zum Festflügel-Flug war ein weiterer wichtiger Test für SEA. Die Ergebnisse zeigten, dass das UAV nahtlos übergehen und die Kontrolle auch in Hochgeschwindigkeitsumgebungen stabil halten konnte. Während es leichte Schwankungen in Rolle und Gier gab, blieben diese minimal, was die Effektivität von SEA unter verschiedenen Bedingungen zeigt.

#Fazit

Diese neue Aktionsmethode, schwenklosen Elevon-Aktion, hat sich als vorteilhaft für Dual-Rotor-UAVs erwiesen, insbesondere bei der separaten Steuerung von Nick und Gier. Die Experimente unterstreichen die Vorteile von SEA gegenüber traditionellen Methoden, besonders in der Zielverfolgung, der Startstabilität und der Handhabung von Störungen.

Durch die Verringerung der Abhängigkeit von Elevons für die Nickkontrolle wird das UAV widerstandsfähiger gegen Sättigungsbedingungen und verbessert somit seine Gesamtleistung in herausfordernden Flug-Szenarien. Die positiven Ergebnisse aus den Übergangs- und Festflügeltests zeigen weiterhin die Fähigkeiten des SEA-Ansatzes und markieren einen bemerkenswerten Fortschritt in der UAV-Technologie.