DOI: https://doi.org/10.1109/tmech.2025.3643609
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Harsh Modi وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحكم التكيفي للأنظمة غير الخطية
نظرة عامة
في هذه الورقة، قدمنا MorphoCopter (4-2)، طائرة مسيرة قابلة للطي تتميز بتصميمها المبتكر للأجهزة ونظام التحكم التكيفي. تظهر نتائجنا أن هذا التصميم يقلل بشكل كبير من الحجم مقارنة بالنماذج الحالية مع الحفاظ على القدرة على التحكم عبر تكوينات مختلفة. أكدت التحقق التجريبي قدرة MorphoCopter على التحول إلى شكل ضيق، والتنقل عبر المساحات الضيقة، والعودة إلى تكوينها القياسي بسلاسة.
على الرغم من القدرات الواعدة للنموذج الأولي الحالي، نعترف بالقيود في مدة الطيران وسعة الحمولة، والتي نهدف إلى تحسينها في النسخ المستقبلية. بالإضافة إلى ذلك، نخطط لاستكشاف تطوير خوارزميات تخطيط المسار والزاوية المثلى لاستغلال الميزات الفريدة لتصميم MorphoCopter بالكامل.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة الزيادة المتزايدة في استخدام الطائرات المسيرة في تطبيقات مختلفة، مع تسليط الضوء بشكل خاص على تكوين الطائرات الرباعية، والذي، على الرغم من قوته، يواجه قيودًا في المناورة عبر المساحات الضيقة. هذا أمر حاسم بشكل خاص في السيناريوهات مثل عمليات البحث والإنقاذ بعد الكوارث، حيث يجب على الطائرات المسيرة التنقل عبر الفجوات الضيقة. غالبًا ما تتنازل التصاميم الحالية، بما في ذلك الطائرات القابلة للطي وتلك التي تستخدم آليات معقدة، عن القدرة على التحكم أو تتطلب مشغلات إضافية، مما يمكن أن يؤدي إلى زيادة معدلات الفشل وتقليل الكفاءة.
لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون طائرة مسيرة مبتكرة تُدعى MorphoCopter، والتي تحتفظ بتكوين X-quadcopter القياسي للطيران الفعال بينما تكون قادرة على الطي في المستوى لتقليل عرضها للتنقل عبر الفجوات الضيقة. يسمح هذا التصميم بتقليل العرض باستمرار حتى يتشكل ثنائي الطائرات المكدسة، مع الحفاظ على القدرة الكاملة على التحكم في جميع التكوينات. يتفوق MorphoCopter على التصاميم الحالية من خلال تحقيق تقليل كبير في الحجم مع عدد أقل من محركات السيرفو ودون المساس بالقدرة على التحكم، كما يتضح من التحقق التجريبي. توضح الورقة التصميم الميكانيكي، واستراتيجيات التحكم، وتقييمات الأداء لـ MorphoCopter في الأقسام التالية.
نقاش
في هذا القسم، يقدم المؤلفون MorphoCopter، وهي مركبة جوية مبتكرة تتميز بتسميتها الفريدة، MorphoCopter(m-n)، حيث $m$ يدل على عدد المحركات المنتجة للدفع و $n$ عدد الروابط الصلبة. يتميز التصميم بأربعة محركات تيار مستمر بدون فرش (BLDC) مثبتة على ذراعين يمكن أن تدور بالنسبة لبعضها البعض، مما يسمح بتكوينات متنوعة، بما في ذلك الطائرة الرباعية القياسية وثنائي الطائرات المكدسة. يوضح المؤلفون الرموز الهندسية المستخدمة لوصف ديناميات MorphoCopter، مع التأكيد على أهمية زاوية المفصل $\alpha$ في تحديد قدرات التحكم في المركبة. يتضمن التصميم مفصل دوار يتحكم فيه محرك سيرفو وآلية ربط من 4 قضبان لضمان التشغيل القوي مع الالتزام بقيود الحجم.
تم تعديل ديناميات MorphoCopter لتأخذ في الاعتبار التغيرات في عزم القصور الذاتي والمسافات بين المراوح مع تغير زاوية المفصل. يقترح المؤلفون ميلًا ثابتًا داخليًا للمحركات لتسهيل التحكم في التدحرج، حتى في التكوينات التي قد تفشل فيها طرق التحكم التقليدية. يستخرجون معادلات لتحديد زاوية الميل المطلوبة، ويستقرون في النهاية على ميل يبلغ حوالي 25°، مما يوازن بين المناورة وكفاءة الدفع. يتم تقديم إطار التحكم التكيفي، الذي يتكون من وحدة تحكم PID غير خطية تتكيف مع الديناميات المتغيرة لـ MorphoCopter، مما يضمن التحكم الفعال عبر تكوينات مختلفة. يختتم القسم بمناقشة المحاكاة والتجارب التي أجريت للتحقق من التصميم ووحدة التحكم، مما يظهر قدرات MorphoCopter في المناورات المعقدة والبيئات الضيقة.
DOI: https://doi.org/10.1109/tmech.2025.3643609
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Harsh Modi et al.
Primary Topic: Adaptive Control of Nonlinear Systems
Overview
In this paper, we introduced the MorphoCopter (4-2), a novel folding drone characterized by its innovative hardware design and adaptive control system. Our findings demonstrate that this design significantly minimizes size compared to existing models while maintaining controllability across various configurations. Experimental validation confirmed the MorphoCopter’s ability to morph into a narrow form, navigate through tight spaces, and revert to its standard configuration seamlessly.
Despite the promising capabilities of the current prototype, we acknowledge limitations in flight duration and payload capacity, which we aim to enhance in future iterations. Additionally, we plan to explore the development of optimal path and trajectory planning algorithms to fully exploit the unique features of the MorphoCopter design.
Introduction
The introduction of the paper discusses the increasing prevalence of drones in various applications, particularly highlighting the quadcopter configuration, which, despite its robustness, faces limitations in maneuverability through narrow spaces. This is particularly critical in scenarios such as post-disaster search and rescue operations, where drones must navigate tight gaps. Current designs, including foldable drones and those employing complex mechanisms, often compromise controllability or require additional actuators, which can lead to increased failure rates and reduced efficiency.
To address these challenges, the authors propose a novel morphing drone named MorphoCopter, which retains the standard X-quadcopter configuration for efficient flight while being capable of folding in-plane to reduce its width for navigation through narrow gaps. This design allows for continuous width reduction until it forms stacked bicopters, maintaining full controllability in all configurations. The MorphoCopter outperforms existing designs by achieving significant size reduction with fewer servo motors and without compromising controllability, as evidenced by experimental validation. The paper outlines the mechanical design, control strategies, and performance evaluations of the MorphoCopter in subsequent sections.
Discussion
In this section, the authors introduce the MorphoCopter, a novel aerial vehicle characterized by its unique nomenclature, MorphoCopter(m-n), where $m$ denotes the number of thrust-producing motors and $n$ the number of rigid links. The design features four brushless direct current (BLDC) motors mounted on two arms that can rotate relative to each other, allowing for various configurations, including a standard quadcopter and a stacked bicopter. The authors detail the geometric notations used to describe the MorphoCopter’s dynamics, emphasizing the importance of the joint angle $\alpha$ in determining the vehicle’s control capabilities. The design incorporates a servomotor-controlled rotary joint and a 4-bar linkage mechanism to ensure robust operation while adhering to size constraints.
The dynamics of the MorphoCopter are adapted to account for changes in moments of inertia and propeller distances as the joint angle varies. The authors propose a fixed inward tilt of the motors to facilitate roll control, even in configurations where traditional control methods would fail. They derive equations to quantify the required tilt angle, ultimately settling on a tilt of approximately 25°, which balances maneuverability and thrust efficiency. The adaptive controller framework is introduced, consisting of a nonlinear PID controller that adjusts to the varying dynamics of the MorphoCopter, ensuring effective control across different configurations. The section concludes with a discussion of the simulations and experiments conducted to validate the design and controller, demonstrating the MorphoCopter’s capabilities in complex maneuvers and narrow environments.