For a flapping-wing micro air vehicle (FWMAV) to have high flight performance like the insect in nature, a study on the flight trajectory should be conducted in consideration of its unique flight dynamics. Since the vehicle is much different from conventional aircraft, the vehicle could not fully perform its flight ability with the trajectory of the conventional aircraft. FWMAV needs to conduct transition flight repeatedly and consume a lot of energy for climbing flight. Therefore, energy-efficient transition and climbing flight trajectories are needed for FWMAV to have a long endurance. In this thesis, trajectory optimization was conducted for transition and climbing flight. Analyzing control inputs and states history, the energy-efficient maneuvers conducted by FWMAV were studied. To consider the unique flight dynamics, the effects of wing inertia and wake were considered in the simulation framework.
The trajectory optimization was conducted for the transition flight (hovering – forward flight). The effects of flow conditions on energy consumption and dynamic stability were studied. In the case of lateral flow, the rigid wing model was unstable while the flexible wing model was stable. In addition, the fight trajectory to stop at the target points, which need additional deaccelerating maneuver, was obtained. During the mission, it is difficult to optimize every time for the arbitrary target points. Therefore, the feedback guidance and control (G&C) system was designed based on the optimization results. The simulation results from the G&C system were similar to those from trajectory optimization for arrival time and energy consumption.
For the climbing flight, the cost function was defined as energy consumption per unit altitude. With the cost function, the optimal trajectory was obtained. The optimal climbing trajectory was more efficient than the vertical climbing, which has the same power consumption, due to faster vertical velocity. However, the optimal climbing trajectory needs a large space due to forward motion. A controller was designed to climb in 3-dimensional spiral trajectory that needs a smaller space. And the result was compared with the 2-dimensional optimal trajectory.
곤충 모방형 날갯짓 비행체가 자연계의 곤충처럼 높은 비행 성능을 가지려면, 날갯짓 비행체 고유의 비행 역학을 고려한 비행 궤적에 대한 연구가 수행되어야 한다. 해당 비행체의 비행 역학은 고정익 및 회전익 비행체와 큰 차이가 있기 때문에, 이러한 비행체의 궤적을 통해 비행한다면 날갯짓 비행체의 비행 능력을 완전히 발휘하지 못할 가능성이 높다. 곤충 모방형 날갯짓 비행체는 천이 비행을 반복적으로 수행하게 되고 상승 비행 시 많은 에너지를 소모하기 때문에, 해당 비행에 대하여 효율적인 궤적을 찾는 것은 비행 가능 시간을 증대하는 데 필수적이다. 본 연구에서는 천이 비행 및 상승 비행 시 에너지 소모를 최소화하기 위한 비행 궤적을 탐색하고, 제어 입력 및 상태변수의 변화를 분석하여 해당 날갯짓 비행체가 효율적인 비행을 위하여 어떤 기동을 수행하는 지 분석한다. 곤충 모방형 날갯짓 비행체 고유의 비행 특성을 고려하기 위하여 날개 관성 및 날갯짓 운동에 따른 후류의 영향을 고려하여, 비교적 높은 신뢰도의 시뮬레이션 환경을 구축하였다.
제자리 비행에서 전진 비행으로 천이하는 비행에 대하여 궤적 최적화를 수행하였다. 유동 방향에 따라 해당 궤적이 어떤 영향을 받는지 분석하였으며, 가로방향 유동인 경우 날개의 유연도에 따라 안정성이 달라질 수 있음을 확인하였다. 해당 비행에서 정지 기동이 추가적으로 수행되어야 하는, 제자리 비행에서 목표점까지 이동한 후 정지하는 비행에 대하여 최적화를 수행하였다. 임무수행 중 나타나는 임의의 목표점에 대해서 매번 최적화를 수행하기에는 어려움이 있기 때문에, 앞서 얻어진 최적화 결과에 기반하여, 피드백 유도제어 시스템을 설계하였다. 해당 유도제어 시스템을 통한 시뮬레이션 결과를 궤적 최적화의 결과와 비교하였고, 도착 시간 및 소모 에너지에 있어서 유사함을 보였다.
상승 비행하는 경우, 단위 고도당 최소의 에너지를 소모하는 세로방향 궤적이 탐색 되었다. 해당 궤적은 동일한 동력을 소모하는 수직 상승 궤적보다 상승 속도가 높기에, 에너지 측면에서는 효율적이지만 전진 운동을 포함하기 때문에 넓은 공간을 요구한다는 단점이 있다. 이를 축소하기 위해, 일정한 롤각을 유지하며 3차원 공간에서 나선 궤적으로 상승하기 위한 제어기를 설계하였고, 앞선 탐색된 2차원 공간에서 최적화된 궤적과 결과를 비교하였다.
