Integrated Design of Tailless FWMAV with free play: Approach via Geometry and Numerical Analysis

Abstract

Unlike birds, an insect type tailless flapping wing does not possess tail wings. Therefore, insect type flapping wing may be fabricated in small size and of decreased weight. Because of the taillessness, however, stable flight of an insect type flapping wing depends only on main wings. Thus, a number of researches were conducted regarding its control mechanisms. In this thesis, the trailing edge control, one of the methods developed to produce control moments, is adopted. Such method requires additional shafts that connect the root of the main wing and control mechanism, and the shafts are rotated to deform the wing shape. In this manner, asymmetric aerodynamic forces are produced. The control mechanism uses micro actuators for compact design. However, small size of the micro actuator gearbox causes relatively large backlash and the resulting free play of the main wings that generates undesirable aerodynamic forces. Under such circumstance, design improvement of the control mechanism is conducted to minimize the effects of the free play. First, geometry analysis is performed to investigate the factors that cause the free play. Control mechanism design for the minimized free play is obtained. Then, three-dimensional computer aided design (CAD) of modified configuration is drawn, and kinematic simulations are conducted by RecurDyn to determine the prevention of interference. Finally, the feasibility of modified design is examined by the numerical simulation. The main wings are modeled by the displacement-based geometrically exact beam model combined with cross-sectional analysis. To mimic the free play appropriately, the spring elements are attached to the joints. At the same time, two-dimensional unsteady aerodynamic model is used for aerodynamic forces. Consequently, the reasonable control moments are gathered in terms of the maneuverability.

곤충 모방형 날갯짓 비행체는 꼬리날개가 없기 때문에 새 모방형 날갯짓 비행체와 비교하여 가볍고 작게 설계될 수 있다. 그러나, 곤충 모방형 날갯짓 비행체는 꼬리날개가 없다는 특징으로 인하여, 오직 두 날개만을 이용하여 조종력을 발생시킨다. 따라서, 이에 대한 많은 연구가 수행되었고 개발된 여러 자세 제어 방법 중 본 학위 논문에선 날개 끝단 비틀림을 이용한 자세 제어 장치를 다룬다. 해당 방법은 주날개의 뿌리 부분을 자세 제어 장치와 연결하고 이를 회전시켜 날개 끝단에 변형을 발생시킨다. 자세 제어 장치에는 경량화를 위하여 가볍고 작은 장비들이 사용된다. 그러나, 자세 제어 장치 제작에 사용되는 초소형 구동기는 작은 크기로 인하여 내부 기어에 백래시를 갖고 있다. 따라서, 이는 주날개의 불필요한 유격을 발생시킬 수 있다. 이러한 유격은 주날개의 진동으로 이어져, 불필요한 비대칭적 공력을 발생시킬 수 있다. 이러한 상황 때문에 유격이 최소화된 자세 제어 장치 설계를 수행하였다. 첫째로, 기하학적 해석을 통하여 유격에 영향을 주는 요인을 파악하였다. 이를 통하여 유격을 최소화한 설계를 도출하였으며, 3차원 computer aided design (CAD) 형상과 RecurDyn을 이용하여 동역학적 해석을 수행하였다. 이를 통하여 자세 제어 장치의 구동 중 발생하는 간섭을 확인하였다. 최종적으로, 수치적 시뮬레이션을 이용하여 개선된 자세 제어 장치의 타당성을 확인하였다. 이때, 주날개는 변위 기반 기하학적 정밀 보로 모델링 되었으며, 2차원 단면 해석 결과를 사용하여 해석을 수행하였고 공력 모델은 2차원 비정상 모델을 사용하였다. 또한, 유격을 모사하기 위하여 스프링 요소를 관절에 삽입하여 해석을 수행하였다. 결과적으로, 본 연구에서 설계한 자세 제어 장치가 유효한 조종력을 발생시키는 것을 확인하였다.