This thesis presents the longitudinal flight dynamic modeling of a flapping-wing vehicle based on a refined flapping-wing aerodynamic model, modified strip theory (MST), and a simple wing kinematics defined by sinusoidal functions. As the interest in flapping-wing flight increases among engineers and scientists, there has been effort to manufacture flapping-wing vehicles. However the systematic procedure to design and evaluate their dynamic behavior is not normalized, most flapping-wing vehicle has been developed by trial and error.
In this paper, a flight dynamic model of a flapping-wing vehicle is presented to analyze its longitudinal stability. It is assumed that the wing kinematics is composed of flapping motion and wing deformation. In order to generate enough lift and thrust to maintain cruising flight, an appropriate pair of flapping motion and wing deformation is necessary. This paper focuses on the stabilization and level-up control of the flapping-wing vehicle by adjusting the flapping frequency and the tail-wing pitch angle (elevator angle) when the geometry of the vehicle, the flapping stroke angle and the wing deformation tendency are prescribed. The wing deformation tendency stands for the dynamic pitch angle of the each wing strip and its phase with respect to the flapping motion.
본 학위 논문에서는 Modified strip theory(MST) 공력 모델을 기반으로 하고 날개의 변형과 운동을 정현파 함수로 단순화하여 날갯짓 비행체의 세로 비행 동역학 모델을 구성하였다. 날갯짓 비행체에 대한 관심이 증가함에 따라 날갯짓 비행체를 제작하고자 하는 많은 시도가 있어왔으나, 동역학적 특성에 대한 체계적인 해석 방법의 부재로 인하여 대부분의 경우 시행착오를 거쳐 제작되었다. 이에 본 연구에서는 날갯짓 비행체의 안정성을 예측할 수 있도록 비행체의 세로 동역학 모델을 소개하고 있으며, 날개의 운동학적 변수는 날갯짓 주파수와 운동 각도, 날개의 변형 정도와 날갯짓 운동에 대한 위상차로 정의되었다.
순항하기에 충분한 양력 및 추력을 발생시키기 위해서는 날갯짓 움직임에 대하여 적합한 날개의 변형이 수반되어야 하는데 이를 위한 매개변수 조사를 수행하였다. 또한 날갯짓 비행체의 세로 안정성을 확보하기 위해서는 기본적으로 꼬리 날개의 적합한 위치 선정과 유효 날갯짓 주파수 범위가 확인되어야한다. 초기 조건과 날개의 운동 각도 및 변형이 주어져 있을 때에 비행체의 날갯짓 주파수와 꼬리 날개의 들림각을 조절함으로써 비행체의 세로 평형 상태를 획득할 수 있으며, 이러한 데이터는 날갯짓 비행체의 제어에 활용될 수 있다.
