Development of flapping wing mechanism for micro aerial vehicles
Mikro hava araçları için kanat çırpma mekanizması geliştirilmesi
- Tez No: 726751
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HÜSEYİN ÜVET
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 90
Özet
Mikro hava araçlarına özellikle kentsel alanlarda ve iç mekanlarda gerçekleştirilen arama kurtarma görevlerinde ihtiyaç duyulmaktadır. Kanat açıklığı 15 cm civarında olan ve düşük ileri uçuş hızlarına sahip olan mikro hava araçları düşük Reynolds sayılarında uçmaktadırlar. Bu akış rejiminde, rotorlu ve sabit kanatlı hava araçlarının aerodinamik performansında önemli azalma meydana gelmektedir. Bu nedenle düşük Reynolds sayılarında verimli uçuşu sağlama potansiyeli olan kanat çırpan mikro hava araçları araştırılmaya ve geliştirilmeye başlanmıştır. Kanatların optimal hücum açısının ve kanat çırpma frekansının optimal değerinin bulunması için yükselme ve alçalma hareketi yapan kanat üzerinde hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi yapılmıştır. Verilen hareketi yapan kanadın aerodinamik performansını ölçmek üzere taşıma kuvvetinin sürüklenme kuvvetine oranı, taşıma katsayısı ve sürtünme katsayısı hesaplanmıştır. Yapılan aerodinamik analizlere göre, kanat açıklığı 12 cm olan prototip mikro hava aracı için optimal kanat çırpma frekansı 30 Hz'dir ve bu ölçülerdeki hava aracının uçuş şekli küçük hücum açılarında uçan (5° - 12°) küçük kuşların uçuş stiline benzeyecektir. Mikro hava araçları sahip oldukları uçuş rejimi nedeniyle, kararlı durum aerodinamiğine uymazlar ve yaratıcı bir aeromekanik tasarım gerektirirler. Bu tasarımın en önemli kısımlarından birisi kanat çırpma mekanizmasıdır. Bu mekanizma hem hafif ve küçük hem de simetrik kanat çırpma hareketini istenilen frekansta sağlayan bir mekanizma olmalıdır. Bu çalışmada kanatlarını çırparak uçan canlıların uçuş parametreleri doğrultusunda üç adet kanat çırpma mekanizması tasarlanmış, üretilmiş ve test edilmiştir. Birinci ve ikinci kanat çırpma mekanizmalarında mikro DC motorun dönme hareketini kanatların çırpma hareketine dönüştürmek için krank biyel mekanizması kullanılmıştır. Geliştirilen ilk kanat çırpma konsepti deneysel ve benzersiz bir tasarım olmasına karşın simetrik ve sürdürülebilir bir kanat çırpma hareketi sağlayamamıştır. Öte yandan, ikinci ve üçüncü kanat çırpma mekanizmaları, simetrik kanat çırpma hareketini başarıyla gerçekleştirebileceklerini göstermişlerdir. Geliştirilmiş olan ikinci kanat çırpma mekanizması kanatların havada 140° açı süpürmesine izin vermektedir, hafiftir ve kanatların senkronize ve simetrik çırpılmasını sağlamıştır. Ayrıca çok sayıda tasarım iterasyonu yapılarak performansı her açıdan artırılmıştır. Hareketli parçalar arasındaki sürtünmeyi önlemek, sistem ağırlığını azaltmak ve aynı zamanda genel sistem verimliliğini artırmak için çaba sarf edilmiştir. Ancak bu konsept, kanat çırpma frekansı yeterli olmadığı için gerekli taşıma kuvvetini üretememiştir. Üçüncü kanat çırpma mekanizması tasarlanırken küçük kuşlarda ve uçan böceklerde görülen aerodinamik kazanç arttıran mekanizmalara odaklanılmıştır. Bu mekanizmalar arasından özellikle hücum kenarı vorteksi, kanatların yukarı vuruşta birbirlerine değerek oluşturduğu çırpma ve ayrılma manevrası gibi taşıma kuvvetinin sürüklenme kuvvetine oranını artıran mekanizmalardan faydalanılmıştır. Bu nedenle, üçüncü kanat çırpma mekanizmasının birbirine değip ayrılan 2 çift kanadı vardır. Bu kanat çırpma mekanizmasının entegre edildiği hava aracı prototipi güç kaynağına bağlı ve kontrolsüz uçuş gerçekleştirmiştir. Kendi üstünde taşıdığı batarya ile de uçabilmesi için iyileştirmeler yapılmıştır. Bu iyileştirmeler ve sisteme entegre edilen kuyruk mekanizması, pil ve alıcı devresi ile beraber toplam ağırlığı 11.6 gram olan hava aracı iç mekan uçuş testlerini tamamlamıştır. Geliştirilen üçüncü kanat çırpma mekanizması mevcut bataryası ile dikey kalkış yapamamaktadır, ancak havadayken uçabilmektedir. Hava aracı ilerlemek için itki kuvveti oluşturma yeteneğine sahiptir.
Özet (Çeviri)
Micro aerial vehicles can deliver aid in rescue missions especially in urban areas and indoors. With a wingspan of approximately 15 cm and low forward flight speeds, MAVs experience low Reynolds number and in this flow regime, fixed and rotary wings drop dramatically in aerodynamic performance. Thus, scientists and engineers have begun to investigate flapping wing flight and develop flapping wing aerial vehicles, which have the potential to provide efficient flight on low Reynolds numbers. Computational fluid dynamics analysis was performed on a 2D wing undergoing heaving motions to determine the optimal angle of attack of the wings and the optimal value of the flapping frequency. To measure the aerodynamic performance lift-to-drag ratio and lift and drag coefficients are calculated. The analysis showed that by the size of the wings, it can be said that this aerial vehicle will resemble the flight style of small birds flying with angle of attack ranging from 5° to 12°. Also, for a micro aerial vehicle with 12 cm wingspan, the optimal flapping frequency is found to be 30 Hz. Due to micro aerial vehicles' flight regime, MAVs do not conform steady-state aerodynamics and they require a creative aeromechanic design, and one of the most important parts of this design is the flapping wing drive mechanism. The flapping mechanism should be small and lightweight, yet it should provide symmetrical flapping motion at a desired frequency. Therefore, in this study, three flapping mechanism concepts were designed, prototyped and tested. First and second concepts of flapping mechanisms employed slider - crank mechanisms to convert the continuous rotary motion of the micro DC motor into flapping motion of the wings. The first mechanism was an experimental, unique design. This mechanism could not provide a symmetrical and reliable flapping motion. On the other hand, the second and third flapping mechanisms have shown promise that they can sustain symmetric flight. The second mechanism was lightweight yet functional as it was enabling the wings to flap synchronously and symmetrically with a swept angle of 140 degrees. Moreover, its performance had been increased in every aspect by making numerous design iterations. Efforts had been made to prevent friction among moving parts, reducing the system weight while simultaneously increasing overall system efficiency. However, this concept could not produce the necessary lift force because the flapping frequency was not adequate. The third mechanism was designed with a different approach: The mechanism was aiming to benefit from aerodynamic lift enhancement mechanisms as it is observed in natural fliers, especially utilizing the leading edge vortex and clap and fling motion. Thus, it has 2 pairs of wings which present clap and fling motion. The prototype of the third flapping mechanism concept was able to demonstrate a tethered flight. Further improvements were made so that it could achieve an untethered flight as well. The tail mechanism was designed and integrated into the system. A navigation scheme was set up, with an actuator in the tail. A battery and a receiver were added to the system. The MAV prototype has been finalized with a total weight of 11.6 grams and completed in-door flight tests. With the battery-power flapping frequency is not adequate to lift-off vertically, but it can fly once it is in the air. It has the ability to generate thrust force to move forward.
Benzer Tezler
- Aerodynamic mechanisms of flapping flight
Çırpan kanatlı uçuşun aerodinamik mekanizmaları
MUSTAFA PERÇİN
Doktora
İngilizce
2015
Havacılık MühendisliğiTechnische Universiteit Delft (Delft University of Technology)Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FULVIO SCARANO
- Development and testing of a 3 dof tandem flapping wing mechanism
Üç eksende serbestlik derecesine sahip ikili kanat çırpma mekanizması geliştirilmesi ve test edilmesi
TALHA MUTLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiDOÇ. DR. DİLEK FUNDA KURTULUŞ
- Development of unsteady models for flapping wings' controller design approach
Çırpan kanat kontrol sistemi için geliştirilmiş zamana bağlı anatilik model tasarımları
FİLİZ ORMANCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DİLEK FUNDA KURTULUŞ
YRD. DOÇ. DR. KUTLUK BİLGE ARIKAN
- Kanat çırpma hareketi bulunan dinamik sistemlerin stabilizasyonu
Stabilization of dynamic systems with wing flapping motion
MUSTAFA KAAN ATİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUĞAN
- Savunma sanayi için bir ornithopter mekanizması tasarım ve imalatı
Design and manufacture an ornithopter mechanism for the defense industry
SAİT BÜYÜKKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VOLKAN KOVAN