MDO de Sistemas de Tren de Aterrizaje Robótico: Un Mecanismo Híbrido de Cumplimiento Impulsado por Correa para Aplicaciones de Drones VTOL
Autores: Kabganian, Masoud; Hashemi, Seyed M.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
MDO de Sistemas de Tren de Aterrizaje Robótico: Un Mecanismo Híbrido de Cumplimiento Impulsado por Correa para Aplicaciones de Drones VTOL
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Limitaciones
Tren de aterrizaje robótico
Optimización del diseño
Mecanismos conformables
Marco multidisciplinario
Capacidades VTOL
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Este documento aborda las limitaciones inherentes en los trenes de aterrizaje de vehículos aéreos no tripulados (VANT) que obstaculizan las capacidades de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) en pendientes irregulares y obstáculos. Se han propuesto diseños de trenes de aterrizaje robóticos (RLG) para abordar estas limitaciones; sin embargo, los diseños existentes suelen estar limitados a pendientes del suelo de 6 a 15 grados, más allá de las cuales ocurriría un vuelco. Además, los conceptos de RLG articulados vienen con una complejidad y penalizaciones de peso adicionales debido a múltiples componentes del tren de potencia. Investigaciones anteriores han destacado que incluso un pequeño cambio de 3 grados en la pendiente puede aumentar los riesgos de vuelco dinámico en un 40%. Por lo tanto, la optimización del diseño de trenes de aterrizaje robóticos para mejorar las capacidades VTOL requiere un marco multidisciplinario que integre análisis estático, simulación dinámica y estrategias de control para operaciones en terrenos complejos. Este documento presenta un sistema RLG híbrido, compliant, impulsado por correa y de tres patas, respaldado por una metodología de optimización de diseño multidisciplinario (MDO), con el objetivo de lograr capacidades VTOL mejoradas en superficies irregulares y plataformas móviles como las cubiertas de los barcos. El diseño del sistema propuesto utiliza mecanismos compliant que presentan una serie de bisagras de flexión de tres (3SFH), para reducir el número de componentes y actuadores del tren de potencia articulado. Esto resulta en un menor peso del sistema, una mejor eficiencia energética y una mayor durabilidad, en comparación con los diseños anteriores completamente actuados, articulados, de cuatro patas y dos articulaciones. Además, la actuación impulsada por correa compliant mitiga problemas como el retroceso, el desgaste y el alto mantenimiento, al tiempo que permite una transferencia de par más suave y una mejor amortiguación de vibraciones en relación con los sistemas RLG de cuatro barras impulsados por cable de tres patas anteriores. El uso de materiales ligeros pero resistentes, como el aluminio y el titanio, permite que las patas se doblen 19 y 26.57 grados, respectivamente, sin fallar. Una simulación animada de pruebas de aterrizaje a contacto completo, realizada utilizando un controlador proporcional-derivativo (PD) y entrada de movimiento de la cubierta del barco, valida el rendimiento del diseño. Se realizan simulaciones para un VANT VTOL, con dos patas flexibles de aluminio, que incorporan bisagras de flexión circulares, y una tercera pasiva posicionada en la cola. Los resultados de la simulación confirman aterrizajes estables con un tiempo de asentamiento de 2 s y solo 2.29 grados de sobreimpulso, muy por debajo del ángulo de inclinación máximo recomendado por la FAA de 2.9 grados. En comparación con el modelo de un solo revoluto (1R), la implementación del modelo óptimo 3R Pseudo-Rigid-Body Model (PRBM) mejora aún más la precisión al lograr un error máximo de deflexión de punta de solo 1.2%. Se anticipa que el diseño híbrido propuesto también ofrecerá una mayor durabilidad y facilidad de mantenimiento, mejorando así la funcionalidad y la seguridad en comparación con los sistemas de trenes de aterrizaje robóticos existentes.
Descripción
Este documento aborda las limitaciones inherentes en los trenes de aterrizaje de vehículos aéreos no tripulados (VANT) que obstaculizan las capacidades de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) en pendientes irregulares y obstáculos. Se han propuesto diseños de trenes de aterrizaje robóticos (RLG) para abordar estas limitaciones; sin embargo, los diseños existentes suelen estar limitados a pendientes del suelo de 6 a 15 grados, más allá de las cuales ocurriría un vuelco. Además, los conceptos de RLG articulados vienen con una complejidad y penalizaciones de peso adicionales debido a múltiples componentes del tren de potencia. Investigaciones anteriores han destacado que incluso un pequeño cambio de 3 grados en la pendiente puede aumentar los riesgos de vuelco dinámico en un 40%. Por lo tanto, la optimización del diseño de trenes de aterrizaje robóticos para mejorar las capacidades VTOL requiere un marco multidisciplinario que integre análisis estático, simulación dinámica y estrategias de control para operaciones en terrenos complejos. Este documento presenta un sistema RLG híbrido, compliant, impulsado por correa y de tres patas, respaldado por una metodología de optimización de diseño multidisciplinario (MDO), con el objetivo de lograr capacidades VTOL mejoradas en superficies irregulares y plataformas móviles como las cubiertas de los barcos. El diseño del sistema propuesto utiliza mecanismos compliant que presentan una serie de bisagras de flexión de tres (3SFH), para reducir el número de componentes y actuadores del tren de potencia articulado. Esto resulta en un menor peso del sistema, una mejor eficiencia energética y una mayor durabilidad, en comparación con los diseños anteriores completamente actuados, articulados, de cuatro patas y dos articulaciones. Además, la actuación impulsada por correa compliant mitiga problemas como el retroceso, el desgaste y el alto mantenimiento, al tiempo que permite una transferencia de par más suave y una mejor amortiguación de vibraciones en relación con los sistemas RLG de cuatro barras impulsados por cable de tres patas anteriores. El uso de materiales ligeros pero resistentes, como el aluminio y el titanio, permite que las patas se doblen 19 y 26.57 grados, respectivamente, sin fallar. Una simulación animada de pruebas de aterrizaje a contacto completo, realizada utilizando un controlador proporcional-derivativo (PD) y entrada de movimiento de la cubierta del barco, valida el rendimiento del diseño. Se realizan simulaciones para un VANT VTOL, con dos patas flexibles de aluminio, que incorporan bisagras de flexión circulares, y una tercera pasiva posicionada en la cola. Los resultados de la simulación confirman aterrizajes estables con un tiempo de asentamiento de 2 s y solo 2.29 grados de sobreimpulso, muy por debajo del ángulo de inclinación máximo recomendado por la FAA de 2.9 grados. En comparación con el modelo de un solo revoluto (1R), la implementación del modelo óptimo 3R Pseudo-Rigid-Body Model (PRBM) mejora aún más la precisión al lograr un error máximo de deflexión de punta de solo 1.2%. Se anticipa que el diseño híbrido propuesto también ofrecerá una mayor durabilidad y facilidad de mantenimiento, mejorando así la funcionalidad y la seguridad en comparación con los sistemas de trenes de aterrizaje robóticos existentes.