Flapping insects have inspired many engineers to work on their unsteady aerodynamics and inherently unstable flight dynamics due to their stable and agile flight performance with only one pair of wing. Although many engineers have been developing bioinspired flapping-wing micro air vehicle (FWMAV) to mimic their excellent flight performance, many of them have limited performance, because unsteady aerodynamics, flight dynamics and control algorithms of bioinspired FWMAV are not thoroughly understood.
In this study, transition flight control of bioinspired FWMAV is achieved using reference tracking augmented gain-scheduling LQR controller by setting up a simulation environment that couples quasi-steady aerodynamic forces and moment, which is based on experimentally obtained aerodynamic coefficient, to 3-DOF longitudinal equations of motion of bioinspired FWMAV modeled in this study. Parametric study with respect to various body pitch attitudes (from $50^\circ$ to $90^\circ$ with $10^\circ$ increments) and forward flight speeds (from 0.0 m/s to 1.0 m/s with 0.25 m/s increments) is performed to investigate their role on the longitudinal flight dynamic stability and aerodynamic power consumption. Then, based on the parametric study results, power efficient design operating points are chosen to design gain-scheduling LQR controller that tracks desired forward flight speed and body pitch attitude while maintaining its controller performance.
본 논문에서는 준정상 공력 모델에 기반한 날갯짓 비행체에 작용하는 공력과 날갯짓 비행체의 3-자유도 운동방정식 해석을 위한 시뮬레이션 환경을 구축하였으며, 이러한 환경을 바탕으로 이득 스케줄 LQR 제어 알고리즘을 사용하여 생체 모방 날갯짓 비행체의 천이비행을 이루었다.
여러 가지 비행조건에 따른 매개변수 연구를 통하여 (비행자세각은 $50^\circ$ 에서 $90^\circ$ 까지 $10^\circ$ 간격으로 설정해 주었으며, 전진방향 비행속도는 0 m/s에서 1m/s까지 0.25 m/s간격으로 설정해 주었다) 생체모방 날갯짓 비행체의 전진방향 비행속도와 비행 자세각이 세로방향 비행 안정성과 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 통하여, 본 논문에서 모델링 된 생체모방 날갯짓 비행체를 파워 소비적 측면에서 효율적으로 운용할 수 있는 비행 작동 범위를 선별한 후, 이득 스케줄 LQR 제어기를 설계해 주었으며 설계된 제어기를 활용하여 비선형 특성을 갖는 생체모방 날갯짓 비행체의 안정화 및 기준속도 추적을 제어할 수 있도록 하였다.
