[논문]곤충 모방 날갯짓 비행체의 안정적인 수직 이륙 비행 구현

판 호앙 부; 트롱 쾅 트리; 구옌 쿠옥 비엣; 박훈철; 변도영; 구남서

doi:10.5302/j.icros.2012.18.2.076

곤충 모방 날갯짓 비행체의 안정적인 수직 이륙 비행 구현
Demonstration of Stable Vertical Takeoff of an Insect-Mimicking Flapping-Wing System 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.18 no.2, 2012년, pp.76 - 80

판 호앙 부 (건국대학교 신기술융합학과) , 트롱 쾅 트리 (건국대학교 신기술융합학과) , 구옌 쿠옥 비엣 (건국대학교 신기술융합학과) , 박훈철 (건국대학교 신기술융합학과) , 변도영 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과) , 구남서 (건국대학교 신기술융합학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper demonstrates how to implement inherent pitching stability in an insect-mimicking flapping-wing system for vertical takeoff. Design and fabrication of the insect-mimicking flapping-wing system is briefly described focusing on the recent modification. Force produced by the flapping-wing systems is estimated using the UBET (Unsteady Blade Element Theory) developed in the previous work. The estimation shows that the wing twist placed in the modified system can improve thrust production for about 10 %. The estimated thrust is compared with the measured thrust, which proves that the UBET provides fairly good estimations for the thrust produced by the flapping-wing systems. The vertical takeoff test shows that inherent pitching stability can be implemented in an insect-mimicking flapping-wing system by aligning the aerodynamic force center and center of gravity.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 장수풍뎅이의 비행원리를 모방한 초소형 날갯짓 비행체의 개발을 위한 최근의 연구 결과를 소개한다. 우선 장수풍뎅이와 같이 35~40Hz 정도에서 160도 정도의 큰 날갯짓 각도를 발생할 수 있는 날갯짓 기구의 설계에 대하여 요약하고, 이 장치를 안정적으로 수직 이륙할 수 있도록 고안한 방법을 설명하며, 수직 이륙 시험 결과를 제시한다.

제안 방법

구체적인 날갯짓 장치의 설계 및 제작 방법은 다른 참고문헌에 소개하였으므로[10], 여기서는 그 내용을 압축하여 요약하고, 최근 수정된 날갯짓 장치의 내용을 추가하였다.
표 2. 두 날갯짓 장치가 발생하는 산출 추력 비교.
표 3. 두 날갯짓 장치가 발생하는 추력 비교.
날개의 관성력에 의한 부하를 최소화 하고, 제한적인 모터 토크를 최대한 활용하기 위하여, 날개는 최소한의 강성을 가지고 최대한 가볍게 제작해야 한다. 본 연구에서는 그림 3과 같이, 켑톤 필름 또는 폴리프로필렌 필름을 인공날개의 막 구조로 하고, 탄소섬유강화 복합재료를 시맥(vein) 구조로 하여 날개의 강성을 확보하였다.
하지만 고정익 날개와는 달리, 날갯짓 장치의 경우, 정확한 공기력 중심의 위치를 알 수 없다. 본 연구에서는 참고문헌[11]에서 고안한 UBET를 사용하여, 수정된 날갯짓 장치의 공력 중심을 계산하였다. 이 계산부터 공력 중심이 그림 8에서와 같이 날갯짓 각도의 중앙(mid-stroke)과 스팬 47 % 위치에 있다는 것을 알 수 있었다.
본 논문에서는 장수풍뎅이의 비행원리를 모방한 초소형 날갯짓 비행체의 개발을 위한 최근의 연구 결과를 소개한다. 우선 장수풍뎅이와 같이 35~40Hz 정도에서 160도 정도의 큰 날갯짓 각도를 발생할 수 있는 날갯짓 기구의 설계에 대하여 요약하고, 이 장치를 안정적으로 수직 이륙할 수 있도록 고안한 방법을 설명하며, 수직 이륙 시험 결과를 제시한다.
위에서와 같이 측정된 날갯짓 운동을 3 또는 6개 항을 갖는 퓨리에 시리즈로 근사하고, 참고문헌 [11]에서 개발한 비정상 깃 요소 이론(UBET: Unsteady Blade Element Theory)에 적용하여 수정된 날갯짓 장치의 발생력을 산출하였다. 이 계산에는 날갯짓 운동에 의한 힘(translational force), 비정상 공기력을 반영하기 위한 added mass, 상향 및 하향 날갯짓 끝에 발생하는 날개 회전에 의한 발생력(rotational force) 및 관성력을 모두 고려한다.
이와 같이 방법으로 최종 제작한 날갯짓 장치가 안정적으로 수직 이륙할 수 있는지 확인하기 위하여, 외부 전원공급장치를 이용하여 날갯짓 장치에 12 V의 전원을 가하였다. 이때, 연결된 전선의 영향을 최소화 하기 위하여, 두께 0.

성능/효과

이전의 연구에서는 인공 날개가 날갯짓 하는 동안에 발생하는 공기력과 관성력으로 인하여 자동적으로 회전하게 하도록, 그림 3(a)에서와 같이, 유연 힌지를 통하여 날개를 부착하는 방식을 고안했었다[10]. 2대의 초고속 카메라(Photron Fastcam Ultima APX, Japan)를 이용하여 이 날갯짓 장치의 날개 운동을 2,000 fps (frame per second)로 측정한 결과, 그림 4에서와 같이, 인공 날개의 수동 회전 각도는 날개 길이 방향으로 거의 일정함을 알 수 있다. 따라서, 인공 날개를 유연 힌지를 통하여 날갯짓 장치에 부착하는 방법으로는 장수풍뎅이의 뒷날개에서 발생하는 날개의 비틀림을 모방하지 못한다.
그림 10은 수정된 날갯짓 장치가 수직 이륙하는 모습을 초고속 카메라로 촬영한 연속 사진이다. 그림에서 확인할 수 있듯이, 본 날갯짓 비행체가 아무런 조종 장치 없이 안정적으로 수직 이륙함을 알 수 있다.
본 연구에서는 상대적으로 날갯짓 각도가 크고 날갯짓 주파수가 높은 곤충 모방 날갯짓 장치가 자세조종장치 없이 안정적인 수직 이륙이 가능함을 입증하였다. 이를 위해서 정확한 발생력 계산과 공력중심의 예측이 가능해야 하고, 무게중심과 공력 중심이 몸체 축과 나란한 선 위에 위치하게 하도록 날갯짓 각도의 범위를 조정하여야 한다.
제작된 날갯짓 장치의 구동 시험을 실시하여, 모터에 12 V를 인가할 때에 날갯짓 각도가 약 145~150도 이며, 날갯짓 주파수는 약 35~38Hz 임을 확인하였다. 이 날갯짓 장치가 발생할 수 있는 힘은 그림 6에서와 같은 swing tester를 통하여 측정하였다.
이로써, 이들 두 날갯짓 장치 모두가 자체 무게 보다 큰 추력을 발생함을 알 수 있다. 한편, 두 날갯짓 장치에 대해 측정한 추력과 예측한 추력을 비교해보면, 서로 약 3~6 %의 오차가 발생하므로, UBET에 의한 추력 예측이 비교적 정확함을 알 수 있다.

후속연구

이들은 날개 폭(wing span)이 약 3cm, 무게 60mg 정도에 불과한 날갯짓 장치를 개발하여, 최근 유선 비행시험을 통하여 날갯짓 장치를 수직 상승하게 하는데 성공하였다[8]. 하지만 압전 작 동기에 전원을 공급할 전원장치와 모든 센서 및 작동기를 1그램 이내의 무게로 개발해야 하는 등 실제 자유비행을 위해서는 앞으로도 많은 연구가 필요하다. 건국대학교에서도 큰 날갯짓 각도를 발생할 수 있는 압전작동기 구동형 날갯짓 장치에 대한 연구를 수행하여 왔으며[9], 이를 통하여, 곤충의 날갯짓을 모방하기 위한 요소기술을 고안하였다[10].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	헬리콥터와 같은 회전익 항공기가 추력과 양력을 얻는 방식은?	유인기와 무인기를 포함한 일반적인 항공기는 주로 동체 또는 날개에 부착된 엔진으로부터 추진력을 얻고, 날개에서 양력을 발생하여 비행을 한다. 헬리콥터와 같은 회전익 항공기는 로터(rotor) 시스템의 깃(blade)을 회전시켜서 추력과 양력을 얻는다. 이와는 달리, 새와 곤충과 같이 자연에서 관찰할 수 있는 비행 가능한 동물들은 모두 날갯짓을 통하여 비행을 하므로, 정상 공기역학(steady aerodynamics)을 설계에 적용하는 일반적인 항공기와는 그 비행원리가 근본적으로 다르다[1,2].
	인공 날개를 유연 힌지를 통하여 날갯짓 장치에 부착하는 방법으로는 장수풍뎅이의 뒷날개에서 발생하는 날개의 비틀림을 모방하지 못한다고 판단한 이유는?	이전의 연구에서는 인공 날개가 날갯짓 하는 동안에 발생하는 공기력과 관성력으로 인하여 자동적으로 회전하게 하도록, 그림 3(a)에서와 같이, 유연 힌지를 통하여 날개를 부착하는 방식을 고안했었다[10]. 2대의 초고속 카메라(Photron Fastcam Ultima APX, Japan)를 이용하여 이 날갯짓 장치의 날개 운동을 2,000 fps (frame per second)로 측정한 결과, 그림 4에서와 같이, 인공 날개의 수동 회전 각도는 날개 길이 방향으로 거의 일정함을 알 수 있다. 따라서, 인공 날개를 유연 힌지를 통하여 날갯짓 장치에 부착하는 방법으로는 장수풍뎅이의 뒷날개에서 발생하는 날개의 비틀림을 모방하지 못한다.
	유인기와 무인기를 포함한 일반적인 항공기는 어디에서 추진력을 얻는가?	유인기와 무인기를 포함한 일반적인 항공기는 주로 동체 또는 날개에 부착된 엔진으로부터 추진력을 얻고, 날개에서 양력을 발생하여 비행을 한다. 헬리콥터와 같은 회전익 항공기는 로터(rotor) 시스템의 깃(blade)을 회전시켜서 추력과 양력을 얻는다.

참고문헌 (12)

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Q. V. Nguyen, H. C. Park, N. S. Goo, and D. Y. Byun, "Aerodynamic force generation of an insect-inspired flapper actuated by a compressed unimorph actuator," Chinese Science Bulletin, vol. 54, pp. 2871-2879, 2009.

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Q. V. Nguyen, H. C. Park, N. S. Goo, and D. Y. Byun, "Characteristics of a beetle's free flight and a flapping wing system that mimics beetle flight," Journal of Bionic Engineering, vol. 7, pp. 77-86, 2010.

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Q. T. Truong, Q. V. Nguyen, V. T. Truong, H. C. Park, D. Y. Byun, and N. S. Goo, "A modified blade element theory for estimation of forces generated by a beetle-mimicking flapping wing system," Bioinspiration and Biomimetics, vol. 6, 2011.

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Q. V. Nguyen, H. C. Park, N. S. Goo, and D. Y. Byun, "Measurement of force produced by an insect-mimicking flapping-wing system," Journal of Bionic Engineering, vol. 7, pp. S94-S102, 2010.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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