ارزیابی عملکرد و کنترل گشتاور در پرنده بال‌زن زیست‌الهام‌گرفته از مرغ مگس‌خوار

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
حسین رضایی حقیقی میانده 1
مهدی پیرخندان لسکوکلایه 2
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی هوافضا / سازه‌های هوایی، گروه هوافضا، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
2 کارشناس ارشد، مهندسی هوافضا / سازه‌های هوایی، گروه مکانیک، موسسه آموزش عالی احرار، رشت، ایران
10.22034/stme.2025.513626.1112
چکیده
در این پژوهش، یک پرنده بال‌زن زیست‌الهام‌گرفته از مرغ مگس‌خوار طراحی و تحلیل شده است. هدف از این طراحی، دستیابی به کنترل دقیق گشتاورهای پروازی و ارتقای مانورپذیری در ریزپرنده‌ها است. برای تحقق این هدف، دو مکانیزم کنترلی معرفی شده است: نخست، مدولاسیون پیچش بال برای تغییر توزیع نیروی لیفت و دوم، تنظیم دامنه و زاویه متوسط (آفست) حرکت بال‌ها برای تولید گشتاورهای کنترل در راستای رول و پیچ. برای ارزیابی عملکرد مکانیزم‌ها، از تحلیل سینماتیکی و شبیه‌سازی عددی با روش دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) بهره گرفته شد. همچنین یک سیستم اندازه‌گیری نیروی سفارشی با دقت بالا طراحی و پیاده‌سازی گردید تا داده‌های تجربی لازم جمع‌آوری شود. نتایج تجربی و شبیه‌سازی‌ها نشان داد که مکانیزم مدولاسیون پیچش قادر است گشتاور پیچ در بازه ۰/۵- تا ۱/۱ میلی‌نیوتن‌متر تولید کند و مکانیزم دوم نیز توانایی ایجاد گشتاور رول در حدود۳/۴± میلی‌نیوتن‌متر را دارد. این سیستم‌ها پاسخ دینامیکی سریعی نسبت به ورودی‌های کنترلی ارائه داده و نیروی لیفتی بیش از ۹۰ میلی‌نیوتن تولید کرده‌اند که برای پرواز پایدار کافی است. بررسی‌ها نشان داد که طراحی مناسب اتصالات مکانیکی و کاهش لرزش‌ها نقش مهمی در بهبود راندمان انرژی و عملکرد کلی دارند. این پژوهش با ارائه راهکارهای جدید برای کنترل گشتاور در پرندگان بال‌زن، گامی مؤثر در توسعه ریزپرنده‌های مانورپذیر زیست‌الهام‌گرفته به‌شمار می‌رود.
کلیدواژه‌ها
ریزپرنده؛ مرغ مگس‌خوار؛ مکانیزم بال زنی؛ شبیه‌سازی دینامیکی؛ کنترل گشتاور؛ مانورپذیری
موضوعات

عنوان مقاله English

Performance Evaluation and Torque Control in a Bio-Inspired Flapping-Wing Micro Aerial Vehicle Modeled After a Hummingbird

نویسندگان English

Hossein Rezaei Haghighi Miande,, 1
Mahdi Pirkhandan Laskookelayeh 2
1 M.Sc. Student, Fidar FanAvarn Tekin Company, Tehran, Iran
2 M.Sc, Fidar FanAvaran Tekin Company, Tehran, Iran
چکیده English

This study presents the design and analysis of a hummingbird-inspired flapping-wing micro aerial vehicle (MAV) aimed at achieving precise torque control and enhanced maneuverability. Two control strategies are proposed: (1) wing twist modulation to redistribute aerodynamic lift, and (2) adjustment of stroke amplitude and mean stroke angle (offset) to generate control torques in roll and pitch axes. The effectiveness of these mechanisms was examined through kinematic analysis, computational fluid dynamics (CFD) simulations, and experimental validation using a custom high-precision force measurement system. Results demonstrate that the twist modulation mechanism can generate pitch torque within –0.5 to 1.1 mN·m, while the second mechanism achieves roll torque of approximately ±3.4 mN·m. Both strategies exhibit fast dynamic responses to control inputs and produce lift forces exceeding 90 mN, sufficient for stable flight. The findings highlight the role of mechanical joint design and vibration suppression in improving energy efficiency and overall performance. This work contributes to advancing bio-inspired MAVs by introducing novel torque control approaches for highly maneuverable flapping-wing systems.

کلیدواژه‌ها English

Micro Aerial Vehicle (MAV)
Hummingbird
Flapping-Wing Mechanism
Dynamic Simulation
Torque Control
Maneuverability
[1] D. Lentink and M. H. Dickinson, "Rotational lift: one of the four aerodynamic forces that make insect flight possible," J. Exp. Biol., vol. 212, no. 16, pp. 2711–2724, 2009. doi: 10.1242/jeb.022269.
[2] W. Shyy, Y. Lian, J. Tang, D. Viieru, and H. Liu, Aerodynamics of Low Reynolds Number Flyers. Cambridge University Press, 2008.
[3] K. Y. Ma, P. Chirarattananon, S. B. Fuller, and R. J. Wood, "Controlled flight of a biologically inspired, insect-scale robot," Science, vol. 340, no. 6132, pp. 603–607, 2013. doi: 10.1126/science.1231806.
[4] G. C. H. E. de Croon, K. M. De Clercq, R. Ruijsink, B. Remes, and A. H. van Zuijlen, "Design, aerodynamics, and autonomy of the DelFly," Int. J. Micro Air Vehicles, vol. 1, no. 2, pp. 71–97, 2009. doi: 10.1260/175682909788057646.
[5] Y. Zhang, Z. Yang, and W. Xie, "Bio-inspired flapping wing MAV with enhanced control capability," Sensors, vol. 22, no. 9, p. 3450, 2022. doi: 10.3390/s22093450.
[6] Q. V. Nguyen, H. C. Park, and D. Byun, "Design and performance evaluation of a bio-inspired flapping wing mechanism with torsional spring," J. Bionic Eng., vol. 17, no. 2, pp. 321–332, 2020. doi: 10.1007/s42235-020-0032-7.
[7] H. Liu and M. Sun, "Dynamic modeling of flapping wing micro air vehicles," Acta Mech. Sin., vol. 34, no. 4, pp. 535–545, 2018. doi: 10.1007/s10409-018-0733-2.
[8] H. Tanaka, J. P. Whitney, and R. J. Wood, "Effect of flexural and torsional wing flexibility on lift generation in hover," Bioinspir. Biomim., vol. 6, no. 4, p. 046007, 2011. doi: 10.1088/1748-3182/6/4/046007.
[9] M. Taha, S. Hokelek, and I. S. Akmandor, "Recent advances in flapping wing MAVs: Aerodynamics, modeling, and control," Aerospace, vol. 10, no. 3, p. 284, 2023. doi: 10.3390/aerospace10030284.
[10] M. Keennon, K. Klingebiel, and H. Won, "Development of the Nano Hummingbird: A tailless flapping wing micro air vehicle," in AIAA Aerosp. Sci. Meeting, 2012. doi: 10.2514/6.2012-588.
[11] V. Joshi, R. K. Jaiman, and C. Ollivier-Gooch, "A variational flexible multibody formulation for partitioned fluid–structure interaction: Application to bat-inspired drones and unmanned air-vehicles," Comput. Math. Appl., vol. 80, no. 12, pp. 2707–2737, 2020.
[12] H. Truong, T. Engels, D. Kolomenskiy, and K. Schneider, "Fluid–structure interaction using volume penalization and mass-spring models with application to flapping bumblebee flight," in Cartesian CFD Methods for Complex Applications. Springer, 2020, pp. 19–35.
[13] T. Q. Truong, H. C. Park, and D. Byun, "Pitching moment generation in an insect-mimicking flapping-wing system," J. Bionic Eng., vol. 11, no. 4, pp. 564–575, 2014. doi: 10.1016/S1672-6529(14)60018-4.
[14] T. N. Pornsin-Sirirak, Y. C. Tai, C. M. Ho, and M. Keennon, "MEMS wing technology for a battery-powered ornithopter," in Proc. 13th Int. Conf. Micro Electro Mech. Syst. (MEMS), 2001. doi: 10.1109/MEMSYS.2001.906536.
[15] J. Yan, M. Wang, and W. Wu, "Piezoelectric actuator design and implementation in a flapping wing MAV," Smart Mater. Struct., vol. 22, no. 9, p. 094007, 2013. doi: 10.1088/0964-1726/22/9/094007.
[16] M. G. Mohamed and A. H. El-Bayoumy, "Thermal and mechanical analysis of SMA actuators for MAVs," Smart Struct. Syst., vol. 19, no. 4, pp. 405–416, 2017. doi: 10.12989/sss.2017.19.4.405.
[17] H. Asanuma, T. Satoh, and H. Haga, "Development of magnetically driven flapping actuator," Sens. Actuators A Phys., vol. 144, no. 2, pp. 323–329, 2008. doi: 10.1016/j.sna.2007.12.004.
[18] R. D. Michelson and S. Reece, "Update on flapping wing micro air vehicle research," in Proc. SPIE, vol. 3990, pp. 5–13, 2000. doi: 10.1117/12.388743.
[19] K. Issac and C. Jebakumar, "Development of flapping wing micro aerial vehicles – A review," Aerosp. Sci. Technol., vol. 76, pp. 495–510, 2018. doi: 10.1016/j.ast.2018.02.036.
[20] D. L. Hu, B. Chan, and J. W. M. Bush, "The mechanics of slapping wings," J. Fluid Mech., vol. 644, pp. 301–331, 2010. doi: 10.1017/S0022112009992481.
[21] J. A. Wikelski, M. Hau, and M. J. van Gils, "Flexible mechanisms in bird flapping flight," Nat. Commun., vol. 11, no. 1, p. 5105, 2020. doi: 10.1038/s41467-020-18946-6.
[22] C. Badrya, B. Govindarajan, J. D. Baeder, A. Harrington, and C. M. Kroninger, "Computational and experimental investigation of a flapping-wing micro air vehicle in hover," J. Aircraft, vol. 56, no. 4, pp. 1610–1625, 2019.
[23] R. J. Wood et al., "Progress on “pico” air vehicles," in Robotics Research: The 15th International Symposium ISRR. Springer, 2017, pp. 3–19.
[24] Y. Chen et al., "A biologically inspired, flapping-wing, hybrid aerial-aquatic microrobot," Sci. Robot., vol. 2, no. 11, p. eaao5619, 2017.
[25] D. C. Lagoudas, Shape Memory Alloys. Springer Science & Business Media, 2008. doi: 10.1007/978-0-387-47685-8.
[26] J. M. Jani, M. Leary, A. Subic, and M. A. Gibson, "A review of shape memory alloy research, applications and opportunities," Mater. Des., vol. 56, pp. 1078–1113, 2014. doi: 10.1016/j.matdes.2013.11.084.
[27] L. Ristroph and S. Childress, "Stable hovering of a jellyfish-like flying machine," J. R. Soc. Interface, vol. 11, no. 92, p. 20130992, 2014. doi: 10.1098/rsif.2013.0992‏
 
 

XML
اصل مقاله 3.22 M
فایل‌های تکمیلی/اضافی
پذیرش مقاله 1112.pdf

  • تاریخ دریافت 03 فروردین 1404
  • تاریخ بازنگری 19 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 27 اردیبهشت 1404
  • تاریخ اولین انتشار 28 اردیبهشت 1404
  • تاریخ انتشار 01 تیر 1404