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Simulación de vuelo multimodal y planificación de ruta de cobertura consciente de la energía para un QuadPlane de elevación + crucero

Autores: Mathur, Akshay; Atkins, Ella

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2025

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Acceso abierto

Artículo científico
2025

Simulación de vuelo multimodal y planificación de ruta de cobertura consciente de la energía para un QuadPlane de elevación + crucero


Categoría

Ingeniería y Tecnología

Subcategoría

Ingeniería Robótica

Palabras clave

Planificación de vuelos
Modelado
Orientación
Control de retroalimentación
QuadPlane
Eficiencia energética

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 1

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
Este documento describe la planificación de vuelos apoyada por modelado, orientación y control de retroalimentación para un sistema de aeronaves no tripuladas (sUAS) QuadPlane eléctrico de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL). Se definen cinco tipos de waypoints de sUAS Lift+Cruise y se utilizan para construir geometrías de trayectoria de vuelo suaves y perfiles de aceleración. Se definen segmentos de planes de vuelo de cobertura acelerada novedosos para los tipos de waypoints de hover (Lift) y cobertura (Cruise) como complemento a las soluciones tradicionales de tránsito de waypoints de sobrevuelo, paso y trayectoria de Dubins. La orientación de seguimiento de zanahorias muestra un compromiso entre la precisión de seguimiento y la estabilidad del control en función del paso de tiempo de la zanahoria. Se desarrollan modelos aerodinámicos y de empuje validados experimentalmente para modos de vuelo vertical, hacia adelante e híbrido en función de la velocidad del aire y el ángulo de ataque a partir de datos de túnel de viento. Un controlador de retroalimentación QuadPlane complementa los controladores clásicos de multicópteros y de alas fijas con un modo de control híbrido que combina actuadores de control de multicópteros y aeronaves para añadir un grado de libertad de inclinación controlable a costa de un mayor consumo de energía. Las simulaciones de vuelo de múltiples modos muestran que el modo Cruise es el más eficiente en términos de energía con una restricción de radio de giro relativamente grande, mientras que el modo de quadrotor permite el hover y giros de radio más pequeño. El análisis de eficiencia energética sobre los planes de QuadPlane con distancias inter-waypoint modestas indica que el modo de crucero o aeronave es un 30% más eficiente en términos de energía en general que el modo de quadrotor. Los resultados de simulación del planificador de cobertura consciente de la energía muestran que los waypoints de vuelo-cobertura (cruise) son siempre los más eficientes dado que hay largas distancias entre waypoints. Se presenta un análisis de Pareto del uso de energía versus cobertura de área para analizar los compromisos de tipo de waypoint en estudios de caso con waypoints estrechamente espaciados. Los métodos de planificación y orientación de cobertura de este documento se pueden aplicar a cualquier configuración de aeronave Lift+Cruise que requiera optimización del modo de vuelo de waypoints sobre métricas de energía y cobertura.

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