Robustification of a biologically inspired flapping mechanism

Autonom fliegende Roboter, die von der Biologie der Vögel oder Insekten inspiriert sind, haben ein breites Anwendungsspektrum, zum Beispiel als Wetter- und Umweltmessgerät in der Präzisionslandwirtschaft oder zur Überwachung bei Rettungseinsätzen. Diese Micro-Air-Vehicle-Roboter sind hoch manövrierfähig und können schnell zwischen verschiedenen Flugmodi wechseln. Sie sind kollisionssicher, indem sie sich ohne menschliches Eingreifen anpassen und ein koordiniertes Verhalten in großen Gruppen mit Unterstützung von Sensoren und Steuergeräten, die Informationen aus der Umgebung erhalten, und einer effizienten integrierten Energiequelle erreichen. Die Herausforderung besteht jedoch darin, Schlagflügel-MAVs zu entwerfen, die in der Lage sind, bei kleinen Abmessungen und begrenzter Nutzlast autonom zu fliegen. Der Entwurf eines anpassungsfähigen Systems zur Analyse der Eigenschaften der Flugdynamik in Schlagflügelsystemen hilft bei der Untersuchung ihrer Eigenschaften und ermöglicht den Einsatz verschiedener Steuerungstechniken zur Verbesserung ihrer Leistung. Die Software zur Identifizierung der Systemparameter, z.B. Schlagfrequenz, Position oder Geschwindigkeit, bietet die Möglichkeit, diese Komplexität zu beherrschen. Diese Art von Plattform ermöglicht die Untersuchung der mechatronischen Steuerung in kleinen Flugsystemen. Der Beitrag in dieser Dissertation stellt einen Prototyp eines Prüfstandes vor, der auf einem mathematischen Modell einer Balkenstruktur mit einem Schlagflügelroboter basiert. Die Vorrichtung besteht aus einem Balken, der einen rotatorischen Freiheitsgrad hat, der in einer vertikalen Ebene enthalten ist, an deren einem Ende sich der Schlagmechanismus befindet. Die gewonnenen Daten und die Anwendung der Regelungsmethode werden mit dem Tool MATLAB® SIMULINK® und einem Arduino®-Gerät als Schnittstelle zwischen dem System und dem PC durchgeführt. Die Modellparameter wurden experimentell ermittelt, die Steuerung wurde in Echtzeit implementiert und mit dem mathematischen Modell des Systems verglichen.Autonomously flying robots, inspired by the biology of birds or insects, have broad applications, for example, a weather and environmental monitoring device in Precision Agriculture or surveillance in rescue operations. These Micro Air Vehicle robots are highly maneuverable, making a rapid transition between multiple flight modes. They are collision resistant by adapting without human intervention and achieving coordinated behavior in large groups with the support of sensors and control devices that receive information from the environment and an efficient integrated energy source. However, the challenge consists of designing flapping-wing MAVs capable of autonomous flight with small scale and limited payload conditions. The design of an adaptable system to analyze the properties of flight dynamics in flapping wings systems helps to study their characteristics and allows the use of different control techniques to improve their performance. The software to identify the system parameters, for example, flapping frequency, position, or speed, provides the opportunity to manage these complexities. This type of platform allows the study of mechatronic control in small aviation systems. The contribution in this doctoral thesis presents a prototype test bench design based on a mathematical model of a balancing beam structure with a flapping-wing robot. The device consists of a bar that has a rotational degree of freedom contained in a vertical plane where at one end, the flapping mechanism is located. The data obtained and the application of the control method are performed using the MATLAB® SIMULINK® tool and an Arduino® device as an interface between the system and PC. The model parameters were obtained experimentally, the control was implemented in real-time and compared to the mathematical model of the system