Modeling Flapping Wing Forward Flight for Bio-Inspired Unmanned Aerial Vehicles

Abstract

Los robots de ala batiente, también conocidos como ornitópteros, son una tecnología en rápido desarrollo debido a su potencial para mejorar el rendimiento de multirrotores convencionales. Sin embargo, existe una brecha entre el análisis aerodinámico de un perfil oscilando verticalmente y en cabeceo y el desarrollo de modelos de vuelo para robots reales de ala batiente en vuelo de avance. Esta tesis está enfocada a abordar esta brecha, integrando resultados de aerodinámica no estacionaria obtenidos mediante la teoría potencial lineal en modelos dinámicos predictivos, validando los resultados con prototipos reales de ala batiente. Este trabajo pretende servir como una descripción física general del comportamiento de UAVs de alas batientes (FWUAVs) en vuelo de avance. La integración de la aerodinámica potencial lineal incluye la consideración de las variables dinámicas en la formulación, así como la analogía de parámetros de aerodinámica 2D a las características de un ala batiente finita. Las contribuciones principales que presenta la tesis son: la integración de resultados de aerodinámica potencial no estacionaria en modelos de vuelo de ornitópteros por primera vez y la simplificación matemática del modelo para su uso en tiempo real; la revisión de estas teorías aerodinámicas para incluir efectos no analizados previamente, como las oscilaciones en la velocidad de vuelo y la flexibilidad a lo largo de la cuerda, así como la adaptación de estos resultados bidimensionales a alas batientes finitas; el desarrollo de modelos simplificados alternativos para los casos en los que los resultados de la aerodinámica potencial lineal no tienen validez, como maniobras laterales, consiguiendo realizar maniobras nunca antes hechas con prototipos de gran tamaño, y vuelo con aleteo de alta amplitud, derivando por primera vez el estado de equilibrio para prototipos sin cola.

Como contribución adicional se presentan también enfoques de diseño que hacen uso de análisis aerodinámicos y dinámicos.