Design and Control of Flapping Wing Micro Air Vehicles

Zhang, Chao (2016). Design and Control of Flapping Wing Micro Air Vehicles. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.44319.

Descripción

Título: Design and Control of Flapping Wing Micro Air Vehicles
Autor/es:
  • Zhang, Chao
Director/es:
  • Rossi, Claudio
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2016
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Flapping wing micro air vehicles (FWMAVs) have become an important research topic in recent years. Their potential applications, like search, rescue as well as surveillance and reconnaissance, make them attractive solutions with respect to traditional fixed or/and rotatory aerial vehicles. In this thesis, our research work focuses three main aspects of them: flapping transmission mechanism, flight attitude control and morphing-wing structure. First, we propose a compliant transmission mechanism for a FWMAV, which was inspired by the thorax structures of insects. To better design the driving mechanism, kinematic analysis of the mechanism was derived. In addition, an aerodynamic model of wings was also built to be coupled with the flapping mechanism. Next, we proposed combining two methodologies, virtual-work-based and rigid-body dynamics-based approaches, to calculate and optimize the input torque required from the flapping actuator (DC motor). This allows designing a transmission mechanism that minimizes the sharp shock of the motor. After optimization, the compliant transmission mechanism with well-tuned parameters was shown to reduce the peak input torque up to 66%, compared to a full rigid-body mechanism. Second, we focus on the attitude control of the FWMAV. We proposed a type-2 fuzzy neural network working in parallel with a derivative differential controller to cope with system uncertainties and environmental disturbances. For the fuzzy neural network, two different triangular membership functions, with uncertain width and center, respectively, were used. With respect to these two cases, two new online learning algorithms were employed to update the parameters in both antecedents and consequents of the fuzzy neural network. After that, the stabilities of the two cases were proved by using both Lyapunov and sliding mode control theories. We applied the proposed methods to the attitude control model of the FWMAV. Simulation results demonstrate that the methods could effectively track the desired control signals even with system uncertainties and environmental disturbances. Finally, we explore the effect of a morphing-wing structure inspired by bats. Bats have shown excellent flight characteristics in terms of high maneuverability and good stability by varying the geometry of their wings. A morphing-wing structure that mimics the mechanical system of bats’ wings was integrated into the design of a flapping wing robot. To investigate the influence of changing the wing shape on the flight performance of the robot, in terms of lift and thrust forces, several experiments were performed. This approach provides an insight for developing future morphingwing FWMAVs with the purpose of improving their maneuverabilities and flapping efficiency. RESUMEN Los micro vehículos aéreos con aleteo de las alas (FWMAVs por su sigla en Inglés) se han convertido en un tema de investigación importante en los últimos años. Sus aplicaciones potenciales, como búsqueda y rescate, así como vigilancia y reconocimiento, los hacen una solución atractiva con respecto a los vehículos aéreos tradicionales con alas fijas o rotatorias. En esta tesis, nos centramos en tres aspectos principales: mecanismo de aleteo, control de vuelo y estructura de ala con geometría variable. En primer lugar, se propone un mecanismo de transmisión par un FWMAV, inspirado en la estructura del tórax de los insectos. Para diseñar el mecanismo de accionamiento, se lleva a cabo una análisis cinemático del mismo. Además, se desarrolla un modelo aerodinámico de las alas para ser acoplado con el mecanismo de aleteo. A continuación, se propone la combinación de dos metodologías, basadas en el trabajo virtual y en la dinámica de cuerpos rígidos para calcular y optimizar el par de entrada requerido por el actuador (motor de corriente continua) dedicado al aleteo. Esto permite el diseño de un mecanismo de transmisión que reduce drásticamente los choques del motor. Se demuestra que, después de la optimización, el mecanismo de transmisión con parámetros afinados reduce el pico del par de entrada de hasta un 66,0 %, en comparación con un mecanismo de transmisión rígido. En segundo lugar, nos centramos en el control de actitud del FWMAV. Se propone una red neuronal difusa de tipo 2 que trabaja en paralelo con un controlador diferencial derivativo para hacer frente a las incertidumbres del sistema y a las perturbaciones ambientales. Para la red neuronal, se utilizan dos funciones de pertenencia triangulares con anchura y centro diferentes. Se emplean dos nuevos algoritmos de aprendizaje en línea para actualizar los parámetros en los antecedentes y consecuentes de la red neuronal difusa. Seguidamente, la estabilidad de los dos métodos propuestos es probada mediante el uso tanto de la teoría de Lyapunov como del método sliding mode. Los métodos propuestos se aplican al control de actitud del modelo del FWMAV. Los resultado de las simulaciones demuestran que los controladores desarrollados pueden seguir de forma efectiva las señales de control deseadas, incluso con las incertidumbres del sistema y en presencia de perturbaciones ambientales. Por último, se analiza el efecto del cambio de la geometría de la estructura de las alas inspirado en los murciélagos. Estos animales muestran excelentes características de vuelo en términos de maniobrabilidad y estabilidad, que obtienen variando la geometría de sus alas. Una estructura de ala con geometría variable que imita el sistema mecánico de alas de murciélago fue integrada en el diseño de un vehículo aéreo con aleteo de las alas. Para investigar la influencia del cambio de la forma del ala en el vuelo del robot, en términos de las fuerzas de elevación y de empuje, se realizaron varios experimentos. Este enfoque proporciona una visión para el desarrollo de futuros FWMAVs con ala mórfica, con el propósito de mejorar su maniobrabilidad y eficiencia en el aleteo.

Más información

ID de Registro: 44319
Identificador DC: http://oa.upm.es/44319/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:44319
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.44319
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 10 Ene 2017 11:47
Ultima Modificación: 09 Jul 2017 22:30
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