본 논문에서는 모션캡쳐 카메라를 사용한 실험을 통해 날갯짓 비행체의 주 날개, 꼬리날개 구동기 특성 분석에 대하여 기술하였다. 실험은 빛이 차단된 실내에서 진행되었고 지그에 기체를 고정하여 날갯짓으로 인한 영향을 줄였다. 주 날개와 꼬리날개 끝단에 마커를 부착하였고 모션캡쳐 카메라는 입력 신호에 대한 각각의 반응을 측정한다. 실험 결과 주 날개는 날갯짓의 주파수에 따라 진폭이 변하는 경향을 보였고, Modified Strip Theory에 실험 결과와 비행체 제원을 적용하여 양력 및 추력 발생 시뮬레이션을 구현 하였다. 꼬리날개는 종 횡축별로 스텝 신호를 인가하여 이에 따른 결과를 2차 전달함수 형태로 정의하였고, 각 축별로 구동기의 구조 차이로 인하여 최종 응답시간, 오버슈트, 최대값 등에서 차이를 나타내는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 모션캡쳐 카메라를 사용한 실험을 통해 날갯짓 비행체의 주 날개, 꼬리날개 구동기 특성 분석에 대하여 기술하였다. 실험은 빛이 차단된 실내에서 진행되었고 지그에 기체를 고정하여 날갯짓으로 인한 영향을 줄였다. 주 날개와 꼬리날개 끝단에 마커를 부착하였고 모션캡쳐 카메라는 입력 신호에 대한 각각의 반응을 측정한다. 실험 결과 주 날개는 날갯짓의 주파수에 따라 진폭이 변하는 경향을 보였고, Modified Strip Theory에 실험 결과와 비행체 제원을 적용하여 양력 및 추력 발생 시뮬레이션을 구현 하였다. 꼬리날개는 종 횡축별로 스텝 신호를 인가하여 이에 따른 결과를 2차 전달함수 형태로 정의하였고, 각 축별로 구동기의 구조 차이로 인하여 최종 응답시간, 오버슈트, 최대값 등에서 차이를 나타내는 것을 확인하였다.
This paper analyzes actuator characteristics for main wing and tail surfaces of an ornithopter by using a motion capture test. Experiments with the ornithopter are conducted indoor, and its fuselage is held on a jig to reduce interaction with vibration generated by flapping motion. The motion captur...
This paper analyzes actuator characteristics for main wing and tail surfaces of an ornithopter by using a motion capture test. Experiments with the ornithopter are conducted indoor, and its fuselage is held on a jig to reduce interaction with vibration generated by flapping motion. The motion capture system detects the movement of markers attached on the main wing and tail wing tip. Experimental results show that the main wings tend to change its amplitude according to the flapping frequency, and the lift and thrust generation simulation is implemented by applying the experimental results and the ornithopter specification to Modified Strip Theory. Step input excitation is applied for experimental analysis of the tail wing in horizontal and vertical directions. As a result, horizontal and vertical tail wings have different characteristics in terms of overshoot, final value, damping ratio and natural frequency because they have different wing structures and linkages.
This paper analyzes actuator characteristics for main wing and tail surfaces of an ornithopter by using a motion capture test. Experiments with the ornithopter are conducted indoor, and its fuselage is held on a jig to reduce interaction with vibration generated by flapping motion. The motion capture system detects the movement of markers attached on the main wing and tail wing tip. Experimental results show that the main wings tend to change its amplitude according to the flapping frequency, and the lift and thrust generation simulation is implemented by applying the experimental results and the ornithopter specification to Modified Strip Theory. Step input excitation is applied for experimental analysis of the tail wing in horizontal and vertical directions. As a result, horizontal and vertical tail wings have different characteristics in terms of overshoot, final value, damping ratio and natural frequency because they have different wing structures and linkages.
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문제 정의
본 논문에서는 모션캡쳐 카메라를 사용하여 입력 신호에 따른 날갯짓 비행체의 구동기 반응 측정실험을 제안하였고 실험결과를 기반으로 주 날개와 꼬리 날개의 특성을 분석 하였다. 주 날개의 경우 Modified strip theory를 적용하여 양력과 추력 발생에 관한 시뮬레이션을 구현하였고, 기존의 연구 사례와는 다르게 날갯짓 주파수에 따른 진폭 변화를 고려하였다.
본 연구에서는 모션캡쳐 카메라를 사용하여 주 날개와 꼬리날개의 구동기 특성을 분석하였다. 주 날개에는 가변 신호를 인가하였고 그 결과를 날갯짓 주파수와 진폭 관계식으로 정의하였고 이를 Modified Strip Theory에 적용하여 양력과 추력 발생 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
제안 방법
1과 같이 기체를 지그에 고정시켜 날갯짓으로 인한 진동영향을 최소화 하였으며, 모션캡쳐 카메라는 초당 120프레임을 측정한다. 가변된 입력 신호를 인가한 후 주 날개의 날갯짓의 움직임을 측정하였고, 꼬리 날개에는 구동 범위를 고려한 스탭입력을 인가하여 그에 따른 반응을 측정하였다. 본 연구에서는 주 날개와 꼬리날개 끝단에 마커를 부착하였으며 각각의 입력신호에 따라 날개가 움직이게 되면 모션캡쳐 카메라는 부착된 마커의 움직임에 대한 위치 데이터를 저장한다[4].
가변된 입력 신호를 인가한 후 주 날개의 날갯짓의 움직임을 측정하였고, 꼬리 날개에는 구동 범위를 고려한 스탭입력을 인가하여 그에 따른 반응을 측정하였다. 본 연구에서는 주 날개와 꼬리날개 끝단에 마커를 부착하였으며 각각의 입력신호에 따라 날개가 움직이게 되면 모션캡쳐 카메라는 부착된 마커의 움직임에 대한 위치 데이터를 저장한다[4].
시뮬레이션은 날갯짓의 진폭 변화를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우로 나누어서 진행하였다.주파수는 5.
실험을 통하여 가변된 신호 입력에 따른 주 날개의 진폭 및 주파수 변화를 측정하였고 스텝 입력에 대한 꼬리날개의 종축·횡축별 반응을 각각 측정 하였다.
본 논문에서는 모션캡쳐 카메라를 사용하여 입력 신호에 따른 날갯짓 비행체의 구동기 반응 측정실험을 제안하였고 실험결과를 기반으로 주 날개와 꼬리 날개의 특성을 분석 하였다. 주 날개의 경우 Modified strip theory를 적용하여 양력과 추력 발생에 관한 시뮬레이션을 구현하였고, 기존의 연구 사례와는 다르게 날갯짓 주파수에 따른 진폭 변화를 고려하였다. 그 결과 진폭 변화 고려 유무에 따라 시뮬레이션 결과가 다르게 나왔다.
대상 데이터
기체는 주 날개, 꼬리날개, 동체로 구성되어 있으며 동체 내부의 DC 모터의 회전운동이 기계적 링크와 기어를 통해 위·아래 날갯짓 운동으로 변환된다.
본 연구의 대상 기체는 MAGIC BIRD社에서 제작된 날개길이 1m 급의 상용화 제품이다. 기체는 주 날개, 꼬리날개, 동체로 구성되어 있으며 동체 내부의 DC 모터의 회전운동이 기계적 링크와 기어를 통해 위·아래 날갯짓 운동으로 변환된다.
실험 환경은 Fig. 1과 같이 기체를 지그에 고정시켜 날갯짓으로 인한 진동영향을 최소화 하였으며, 모션캡쳐 카메라는 초당 120프레임을 측정한다. 가변된 입력 신호를 인가한 후 주 날개의 날갯짓의 움직임을 측정하였고, 꼬리 날개에는 구동 범위를 고려한 스탭입력을 인가하여 그에 따른 반응을 측정하였다.
이론/모형
모션캡쳐 카메라는 특수 마커를 적외선으로 인식하며 마커의 움직임을 캡쳐하여 마커의 움직임에 대한 정보를 저장한다. 본 연구에서는 Optitrack社의 Flex 13 모델을 사용하였으며 제원은 Table 2와 같다.
날갯짓 비행체는 고정익 항공기와는 달리 위· 아래로 날개가 움직이는 운동을 통해 양력과 추력을 동시에 발생시킨다. 이를 계산하기 위해 Modified strip theory를 적용 하였으며 날개를 Fig. 5와 같이 나누어 각 부분별 작용하는 공기력을 계산한다.
본 연구에서는 모션캡쳐 카메라를 사용하여 주 날개와 꼬리날개의 구동기 특성을 분석하였다. 주 날개에는 가변 신호를 인가하였고 그 결과를 날갯짓 주파수와 진폭 관계식으로 정의하였고 이를 Modified Strip Theory에 적용하여 양력과 추력 발생 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 꼬리날개에는 종·횡축별로 스탭 신호를 입력하였고 입력전압과 꼬리날개 출력 각도를 2차 전달함수로 정의하였다.
성능/효과
추후 날개에 다수의 마커를 부착하여 전체 움직임을 측정한다면 날개의 유연성을 더 고려한 시뮬레이션을 구축할 수 있을 것으로 본다. 꼬리 날개의 경우 스탭입력을 인가하여 반응결과를 2차 전달함수 형태로 계산하였으며 그 결과 구동 특성을 반영하는 것을 확인 하였다. 이를 적용할 경우 비행체의 전체적인 특성을 반영시킬 수 있어 더 정확한 제어 알고리듬을 구축 할 수 있을 것으로 본다.
3~4는 각각 꼬리날개의 스탭입력에 대한 종축·횡축별 움직임을 나타낸다. 실험 결과 구조적 차이로 인하여 반응 속도, 정착 시간, 오버슈트 등에서 차이가 발생하는 것을 확인하였다.
9, 10은 각각의 시뮬레이션 결과를 나타내며 날개가 중립위치에 있을 때 최대 양력이 발생하고, 아래로 날갯짓을 할 때 최대 추력이 발생하는 것을 볼 수 있다. 진폭 변화를 고려한 결과 2.63N, 3.67N의 평균 양력, 추력이 발생하였고, 진폭 변화를 고려하지 않은 경우 2.65N, 4.22N의 평균 양력, 추력이 발생하였다. 이를 통해 날갯짓 주파수에 따른 진폭 변화 고려유무에 따라 결과가 다르게 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
꼬리날개에는 종·횡축별로 스탭 신호를 입력하였고 입력전압과 꼬리날개 출력 각도를 2차 전달함수로 정의하였다. 본 연구의 결과는 향후 조류형 무인항공기의 유도제어기 설계를 위한 구동기 모델링 정보로 활용될 것으로 사료된다.
꼬리 날개의 경우 스탭입력을 인가하여 반응결과를 2차 전달함수 형태로 계산하였으며 그 결과 구동 특성을 반영하는 것을 확인 하였다. 이를 적용할 경우 비행체의 전체적인 특성을 반영시킬 수 있어 더 정확한 제어 알고리듬을 구축 할 수 있을 것으로 본다.
그 결과 진폭 변화 고려 유무에 따라 시뮬레이션 결과가 다르게 나왔다. 추후 날개에 다수의 마커를 부착하여 전체 움직임을 측정한다면 날개의 유연성을 더 고려한 시뮬레이션을 구축할 수 있을 것으로 본다. 꼬리 날개의 경우 스탭입력을 인가하여 반응결과를 2차 전달함수 형태로 계산하였으며 그 결과 구동 특성을 반영하는 것을 확인 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무인항공기를 비행에 필요한 양력과 추진 방법에 따라 분류하시오
초기 군사용 목적으로 개발되었던 무인항공기는 수색, 정찰, 폭격 등의 임무를 수행하였으며, 활용 영역 또한 민간으로 확대되어 항공사진 촬영 및 정보 수집 등에 활용 되고 있다. 무인항공기는 크게 비행에 필요한 양력과 추력을 발생시키는 방법에 따라 고정익, 회전익, 날갯짓 비행체로 분류할 수 있다. 고정익과 회전익 비행체는 각각 일반적인 항공기와 헬리콥터를 예로 들 수 있다[1].
무인항공기 중 날갯짓 비행체에 대해 설명하시오
고정익과 회전익 비행체는 각각 일반적인 항공기와 헬리콥터를 예로 들 수 있다[1]. 날갯짓 비행체는 자연계에서 볼 수 있는 조류나 곤충의 비행 메커니즘을 모방한 비행체로 조류 모방의 경우 대부분 꼬리날개가 있는 형태이고 곤충 모방은 꼬리날개가 없고 크기 또한 조류에 비해 매우 작다. 항공역사 초기에 이러한 날갯짓을 이용한 비행을 시도하였고 16세기에는레오나르도 다빈치가 날갯짓 비행체를 설계한 기록이 있으나 기술적 한계로 실제 비행에는 성공하지 못하였다[2][3]. 하지만 기술의 발전과 함께 중·소형 무인항공기에 사용되는 모터, 배터리 등의 성능향상과 경량화로 인하여 현재는 다양한크기의 날갯짓 비행체를 제작하여 비행에 성공한사례가 다수 존재한다[4].
초기 군사용 목적으로 개발된 무인항공기의 역할은 무엇인가
초기 군사용 목적으로 개발되었던 무인항공기는 수색, 정찰, 폭격 등의 임무를 수행하였으며, 활용 영역 또한 민간으로 확대되어 항공사진 촬영 및 정보 수집 등에 활용 되고 있다. 무인항공기는 크게 비행에 필요한 양력과 추력을 발생시키는 방법에 따라 고정익, 회전익, 날갯짓 비행체로 분류할 수 있다.
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