Biological flyers are considered and also has been witnessed as the most efficient and maneuverable flying object on earth. These fascinating creatures made scientists to think of another approach to develop a different type of aerial vehicles, namely ornithopters. The ornithopters, however, are still barely able to fly and its flying mechanisms including unsteady low Reynolds number aerodynamics around flexible wings, fluid-structure interaction between them, and flight dynamics/control are not yet understood thoroughly. Moreover, numerical approaches to simulate the flight dynamics of ornithopters are still in its infancy due to the extreme complexity and heavy computational cost.
In the present study, an integrative ornithopter flight control simulation framework is proposed to numerically simulate and control the ornithopter longitudinal flight dynamics with efficiency. It takes account of unsteady low Reynolds number aerodynamics, anisotropic flexible wings, and its fluid-structure interaction through a modal-based flexible multi-body dynamic solver, and a semi-empirical reduced-order flapping wing aerodynamic model. It is found that the time-averaged longitudinal trim flight dynamics of ornithopters with respect to various flapping frequency show similar characteristics with biological flyers. In terms of time-varying characteristics, it is found that trim flight dynamics of ornithopters show nonlinear behavior characterized by limit-cycle oscillations of flight state variables. Its pitch attitude stability is enhanced through a pre-defined simple harmonic tail-wing motion phasically linked with main-wing motion. A simple altitude-hold flight controller is successfully implemented to the ornithopter model. Pitch directional stability augmentation system is found to be another effective way to stabilize pitch attitude oscillation. It is expected that one can use this proposed simulation framework as a tool of unraveling the complex characteristics of the ornithopter flight dynamics and its control strategy for the future use of autonomous ornithopter platforms.
본 논문에서는 비등방성의 유연성을 가지는 날개와 비정상 저레이놀즈수 영역 주위유동간의 유체-구조연계해석이 고려되는, 날갯짓 비행체 세로 방향 비행 및 제어 시뮬레이션 프레임워크를 제시했다. 이를 통하여, 날갯짓 비행체의 날갯짓 주파수 변화에 따른 시간 평균된 수평 트림 비행 특성은 분석했으며, 비슷한 크기의 자연계의 생명체와 정성적으로 유사한 트림 비행 특성을 가짐을 밝혔다. 시변동역학적 관점에서 보았을 때, 날갯짓 비행체의 트림 비행 특성은 고정익 비행체와는 달리 세로 방향 비행 상태변수들의 제한주기진동으로 나타남을 수치적으로 보였다. 주 날개 운동과 주파수가 같고 특정한 위상차를 가지는 미리 정의된 꼬리날개 움직임을 통하여, 제한주기진동을 하는 피치 자세각의 진폭을 줄일 수 있음을 다양한 날갯짓 주파수에 대하여 보였다. 피치 자세각 변화율 피드백 시스템의 적용 역시 날갯짓 비행체의 피치 자세각 진폭 안정화를 이룰 수 있음을 보였으며, 이것을 포함한 고도 유지 제어기를 통하여 피치 자세각 안정과 동시에 고도 유지 및 변화 제어를 수행할 수 있는 비행 제어기를 설계하고 적용했다.
