Towards Practical Autonomous Flight Simulation for Flapping Wing Biomimetic Robots with Experimental Validation

要約

実証済みの羽ばたき翼ロボットのシミュレーションは、羽ばたき翼のメカニズムとアルゴリズムの開発に不可欠です。
この論文では、さまざまな機械設計との互換性が高く、さまざまなロボットタスクに適応可能な、新しいアプリケーション指向の羽ばたき翼プラットフォームを紹介します。
最初に,ブレード要素理論と準定常モデルを提唱し,翼の運動学に基づいて羽ばたき翼の空気力学を計算した。
計算では、並進揚力、並進抗力、回転揚力、および追加質量力がすべて考慮されます。
次に、提案されたシミュレーションプラットフォームを使用して、特定の羽ばたき翼ロボットの受動的な翼の回転と翼と尾の相互作用現象を調査します。
シミュレーション ツールと、平均化されたシステムとの動的差異に基づく新しい統計の助けを借りて、羽ばたき翼ロボットの動的特性を調査することで、いくつかの動作の本質が明らかになります。
その後、姿勢追跡制御問題と位置軌道追跡問題の両方が、ロバストな制御技術によって克服されます。
さらなる比較シミュレーションにより、提案された制御アルゴリズムが他の既存のものと比較して明らかな優位性を示すことが明らかになりました。
さらに、シミュレーションで調整された同じ制御アルゴリズムとパラメーターを使用して、自作の羽ばたき翼ロボットで実際の飛行実験を行い、提案されたシミュレーションプラットフォームから同様の結果を得ました。
既存のシミュレーション ツールとは対照的に、提案されているシミュレーション ツールは、ほとんどの既存の羽ばたき翼ロボットと互換性があり、各ブレード要素の空気力とトルクを観察することにより、対応するアプリケーションの微妙な動作を本質的に掘り下げることができます。

要約(オリジナル)

Tried-and-true flapping wing robot simulation is essential in developing flapping wing mechanisms and algorithms. This paper presents a novel application-oriented flapping wing platform, highly compatible with various mechanical designs and adaptable to different robotic tasks. First, the blade element theory and the quasi-steady model are put forward to compute the flapping wing aerodynamics based on wing kinematics. Translational lift, translational drag, rotational lift, and added mass force are all considered in the computation. Then we use the proposed simulation platform to investigate the passive wing rotation and the wing-tail interaction phenomena of a particular flapping-wing robot. With the help of the simulation tool and a novel statistic based on dynamic differences from the averaged system, several behaviors display their essence by investigating the flapping wing robot dynamic characteristics. After that, the attitude tracking control problem and the positional trajectory tracking problem are both overcome by robust control techniques. Further comparison simulations reveal that the proposed control algorithms compared with other existing ones show apparent superiority. What is more, with the same control algorithm and parameters tuned in simulation, we conduct real flight experiments on a self-made flapping wing robot, and obtain similar results from the proposed simulation platform. In contrast to existing simulation tools, the proposed one is compatible with most existing flapping wing robots, and can inherently drill into each subtle behavior in corresponding applications by observing aerodynamic forces and torques on each blade element.

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