Since the demand for biomimetics-based aerospace systems is surging rapidly for the past few years, Flapping-wing Micro Air Vehicles (FWMAVs) are not an exception to these necessities. With the growing advancements in science and technology, scientists have realized that nature-inspired designs generally produce optimal solutions at minimal cost. One of the key bioinspired-based aerospace systems is an insect-like FWMAV that is considered quite impressive owing to its efficient flight utilizing complex aerodynamics. As real insects generally do the optimum flight, engineers are doing their best to explore the aerodynamics, kinematics, flight dynamics, and control to better mimic their flight. However, mimicking insects’ flight using FWMAVs has limited functionality considering the difficulty in understanding its complex aerodynamics and applying control.
Many studies have been conducted to characterize the stability of insect-like FWMAVs; however, they have limitations based on different areas such as the fidelity of the aerodynamic model, assumptions taken to modify the flight mechanics equations, wing kinematics adopted, rigid or flexible model used, and the type of trim search algorithm adopted. The present study considers a hawkmoth-scaled FWMAV model for characterizing its stability using a multibody dynamics simulation environment that involves fully coupled nonlinear equations of motion. The simulation environment incorporates a quasi-steady aerodynamic model, real and simplified hawkmoth wing kinematics and morphological data, kinematic constraints, and finally a gradient-based trim search algorithm. The complete simulation is run for five different speeds involving equal intervals from 0 to 1 m/s, and 6 Degrees of Freedom (6-DOF) stability is characterized based on it. The FWMAV model shows unstable behavior both in longitudinal and lateral directions (slightly damped) based on the results of the trim search.
The longitudinal direction instability is mainly related to the forward-backward direction velocities coupled with the pitching rate that results in unstable oscillatory modes. On the other hand, lateral instability augments as sideways velocity pairs with rolling and yawing rates. Firstly, the influence of body to wings mass ratio on longitudinal and lateral dynamic stabilities is investigated. Since longitudinal unstable oscillatory mode’s influence increases with speed, this study focuses on longitudinal motion control. LQR controller is implemented first to control the speed of linear FWMAV system using integral action. Next, the controller is implemented for 3-DOF motion control of the nonlinear model at five different speeds. Then, reference velocity profile tracking, involving hovering, acceleration, constant speed, and deceleration phases, is achieved for the non-linear model. Finally, various reference trajectories tracking is achieved by implementing a dual loop control technique.
지난 몇 년간 생체 모방형 항공우주 시스템에 대한 수요가 급증하고 있으며, 생물에서 영감을 받은 항공우주 시스템 중 복잡한 공기역학을 활용하여 효율적인 비행을 하는 초소형 날갯짓 비행체는 활발히 연구되어 왔다. 실제 곤충은 일반적으로 최적의 비행을 수행하므로 연구자들은 이러한 비행을 더 잘 모방하기 위하여 공기역학, 운동학, 비행 역학 및 제어와 관련한 연구에 노력을 기울이고 있다.
초소형 날갯짓 비행체의 안정성을 분석하기 위한 많은 연구들이 수행되었지만, 공력모델의 해석 신뢰도, 운동 방정식에 적용된 가정과 같은 여러가지 영역에서 제한점이 있다. 본 연구는 다물체 동역학 시뮬레이션 환경에서 곤충 크기의 초소형 날갯짓 비행체 모델의 안정성을 분석한다. 본 연구에서 사용되는 시뮬레이션 환경은 준 정상 공력모델을 사용하여 공력을 예측한다. 또한 해당 시뮬레이션 환경에서 실제 박각시나방의 날갯짓 운동과 단순화된 날갯짓 운동이 각각 사용되며 박각시나방의 형태학적 데이터, 운동학적 제약조건이 사용된다. 기울기 기반 트림 탐색 알고리즘을 사용하여 전진비행 속도 0m/s(제자리 비행)에서 1m/s까지 동일한 간격으로 5개의 트림이 탐색된다. 이를 기반으로 6자유도 안정성이 분석되는데, 해당 모델은 세로 및 가로방향에서 불안정함을 보인다.
세로방향 불안정성은 주로 전진 속도성분과 피치 방향 각속도의 상호작용과 관련이 있으며, 가로방향 불안정성은 롤 및 피치 방향 각속도과 좌우 속도성분의 상호작용과 관련이 있다. 본 연구에서는 먼저, 세로 및 가로방향 안정성에 대한 동체 및 날개 질량 비율이 미치는 영향에 대해서 분석된다. 다음으로 5개의 트림 상태에서 세로방향 비행을 제어를 위하여, LQR 제어기가 설계된다. 다음으로 속도 추종 문제 및 경로 추종 문제를 다루게 된다.
