SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Mahmud Ashrafizadeh
سعید ضیائی راد (استاد راهنما) محمود اشرفی زاده (استاد راهنما)
STUDENT
Mostafa Hassanalian
مصطفی حسنعلیان
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
A new method in conceptual design of flapping wing MAV and fabrication of one sample based on the proposed
Nowadays, unmanned air vehicle (UAV) are considered as popular devices for a wide variety of mission, such as detection and identification. Besides their low cost and other weight and dimensional merits, their advantage of being unmanned make them more suitable and reliable in comparison with other alternatives to accomplish their missions. The Micro Air Vehicle (MAV) are a subset of UAVs with sizes smaller than 500mm and weights under 500g and are designed and made in four categories, namely, fixed wing, VTOL (Vertical Take off Landing), flapping wing and rotary wing. The type studied in the present work is a flapping wing MAV which has a similar structure as birds. The research on flapping wing MAVs has shown that these types of air vehicles have more complexities compared with fixed and rotary wings mainly due to their complex aerodynamics. As a result, there are fewer researches available in this subject. Biologic iiration indicates that flying through flapping wings presents unique maneuverability advantages. There are fundamental challenges for fixed and rotary wings to fly reliably when their sizes are reduced. When the wing area is reduced, a flow transition to low Reynolds number occurs which reduces the aerodynamic wing efficiency. A flapping wing MAV has the potential to benefit from the advantages of other MAV types and eliminates their disadvantages. In the present work, a comprehensive study on flapping wing MAVs is inducted first, and then a new conceptual design procedure is proposed for flapping wing MAVs. It should be mentioned that presently there is no well documented and established design procedure for flapping wing MAVs and these tasks are mainly done through try and error techniques. The main focus of the current research is on conceptual design and the sizing of flapping wing MAVs which results in determining the wing geometrical parameters. In addition, the dynamical and kinematical equation for different flying modes such as flapping and gliding are derived. More over for the first time (to the best knowledge of the author) a constraint analysis based on the MAV mission is performed. The aim of this analysis is to determine the design space. The shape of the wings (planforms) is iired by the shape of real bird wings and their lift and thrust is determined through the use of strip theory. The determination of the flapping frequency and the weight estimation of the flapping wing MAVs are other tasks performed in the present sizing procedure. Finally, based on the presented design procedure, a flapping wing MAV with a wingspan of 70cm and a weight of 382g is designed and manufactured. All aerodynamic calculations, stability analysis and mechanism design are performed to validate the proposed design procedure. Another contribution of the present research is the introduction of a new conceptual design procedure for design and manufacture flapping wing MAVs iired by living birds. Keywords Micro Air Vehicle, Flapping Wing, Conceptual design, Sizing, Strip Theory, Flapping Mechanism
هواپیماهای بدون سرنشین امروزه در نقش های مختلفی از جمله، شناسایی و اکتشاف، از تجهیزات پرکاربرد ارتش های دنیا محسوب می شوند. مزیت بدون سرنشین بودن، در کنار ویژگی های ابعادی و وزنی و کم هزینه بودن آن ها، به این پرنده ها این فرصت را می دهد که قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به سایر وسایل جهت انجام مقاصد ذکر شده داشته باشند. ریزپرنده های MAV دسته ای از این هواپیماهای بدون سرنشین هستند که معمولاً در ابعاد کوچکتر از 500 میلیمتر و وزن زیر 500 گرم و در چهار مدل بال ثابت، عمود پرواز، بالزن و بال های چرخان طراحی و ساخته می شوند. مدل مورد بررسی در این پروژه، نمونه های بالزن هستند که ساختاری شبیه پرندگان هستند. تحقیقات بر روی بالزن نشان داده است که آن ها نسبت به ریزپرنده های بال ثابت و چرخان دارای پیچیدگی بیشتر هستند که عمدتاً ناشی از پیچیدگی آیرودینامیکی آن ها باشد. در نتیجه تحقیقات کمتری بر روی آن ها نسبت به نمونه های بال ثابت و بال چرخان صورت گرفته است. الهام بیولوژیکی نشان می دهد که پرواز بال زدن مزایای عملکرد منحصربه فردی را ارایه می کند. ریزپرنده های بال ثابت و بال چرخان یک مشکل چالش زایی را به هنگام کوچک سازی دارند. هنگامی که سایز بال ها کاهش می یابد، یک گذار به اعداد رینولدز پایین اتفاق می افتد که منجر به کاهش عملکرد مقطع آیرودینامیکی می شود. یک ریزپرنده بالزن پتانسیلی از ترکیب خصوصیات مفید دو نمونه دیگر پروازی ارایه می دهد در حالی که خصوصیات منفی را کاهش می دهد. در این پروژه در ابتدا مطالعاتی جامع و کامل بر روی ریزپرنده های بالزن انجام گرفته و سپس روند طراحی این ریزپرنده ها که روش جدیدی در طراحی مفهومی آن ها ارایه می دهد، تدوین شده است. لازم به ذکر است که تاکنون برای این نوع ریزپرنده ها روش طراحی مدوّنی وجود نداشته و اغلب طراحی ها بر اساس روش های آماری و سعی و خطا متمرکز بوده اند. تمرکز این پژوهش و روش ارایه شده در طراحی مفهمومی و سایزینگ این ریزپرنده هاست که به تعیین بهینه پارامترهای هندسی بال منجر می شود. این بخش از پژوهش شامل استخراج معادلات دینامیکی و سینماتیکی در حالت های مختلف پروازی همچون بال زدن و گلایدینگ و شبیه سازی فرآیند آنالیز قیدی بر روی این نمونه ریزپرنده ها بر مبنای نوع مأموریت تعریف شده است که این بخش با توجه به جستجوهای انجام شده برای اولین بار بر روی این نمونه از ریزپرنده ها صورت گرفته است. هدف از انجام این شبیه سازی مشخص نمودن فضای طراحی است. تعریف شکل بال های مختلف با الگوگیری از شکل بال پرندگان و آنالیز و مقایسه آن ها با استفاده از تئوری نواری از لحاظ نیروهای لیفت و تراست تولیدی، فرکانس بال زدن و ارایه روش جدید در تخمین وزن از دیگر مواردی است که در سایزینگ مورد توجه است. لازم به ذکر است که برمبنای روش تدوین شده، یک ریزپرنده بالزن از نوع پرنده با طول بال 70 سانتیمتر و وزنی برابر 382 گرم طراحی و ساخته شده و محاسبات مورد نیاز از قبیل آیرودینامیک، کنترل پایداری، طراحی مکانیزم جهت صحت سنجی طراحی اولیه بر روی آن صورت گرفته است. همچنین از جمله جنبه های جدید کار انجام شده در این پروژه، ارایه یک روند جدید در طراحی مفهومی ریزپرنده های بالزن و الگوگیری از پرندگان در طراحی و ساخت این ریزپرنده ها بوده است. لغات کلیدی ریزپرنده، بالزن، طراحی مفهومی، سایزینگ، تئوری نواری، مکانیزم بال زدن