Different types of drones are developed nowadays and their usage is continuously increasing. Initially thought for military purposes such as monitoring dangerous places and espionage, currently are useful in civil applications like surveillance, aerial filming and hobbyist First Person View racing. The robotic hummingbird developed by the Active Structure Laboratory is a Flapping wings drone that can be placed in the Micro Air Vehicles (MAVs) family, which peculiarity is to be small sized. This project in particular, wants to mimic the dimensions and hovering capability of a hummingbird and its goal is fixed to 20 grams weight, 25 cm wingspan and a flapping frequency between 20 and 30 Hz. In this thesis the work done by Matej Karasek is continued and improved. The goal of our period in the laboratory was to study the passive stabilization of the robot and to implement and develop a method to actively stabilize the prototype to reach hovering stability in free flight. A study on the passive stabilization using aerodynamic damping surfaces has been considered to reach hovering during free flights. These are used to see the behaviour of the prototype with sails and tail. Moreover, the model of the system has been developed and compared with the free flight experiments. Then two methods to generate the moment to control pitch and roll dynamics have been studied. These are the motion of a tail and the wing twist modulation; the second one has been chosen to continue the project. Moreover, some servo actuators have been considered and tested to choose the most appropriate one and the flight control board analysed in order to acquire accurate signals from the motion sensor. Finally, the prototype with wing twist was tested on a two DOF gimbal. Some control technique have been used to stabilize pitch and roll dynamics. At the same time the gimbal was modelled and a simulation was done with Matlab Simulink. The control technique implemented allowed to reach the stability in both directions on test bench and provided good basis for future studies and free flight.
Al giorno d’oggi vengono sviluppati diversi tipi di droni ed il loro utilizzo è in continuo aumento. Inizialmente pensati per scopi militari quali il monitoraggio di luoghi pericolosi o per spionaggio, attualmente sono usati anche in applicazioni civili come sorveglianza, prevenzione, intervento in emergenza, riprese aeree e hobbistica. Il colibrì robotico sviluppato dal Laboratorio di Strutture Attive è un drone ad ali battenti che può essere inserito nella famiglia dei micro aeroplani, la cui peculiarità è di avere dimensioni ridotte. Questo progetto in particolare vuole mimare le dimensioni e la capacità di mantenere un volo a punto fisso di un colibrì e le sue specifiche obiettivo sono state fissate a 20 grammi di peso, 25 cm di apertura alare e ad una frequenza di battito compresa tra i 20 e i 30 Hz. In questa tesi è stato continuato e migliorato il lavoro svolto da Matěj Karásek durante il suo dottorato. Lo scopo del nostro periodo nel laboratorio è stato studiare la stabilizzazione passiva del robot e implementare e sviluppare un metodo di controllo attivo per raggiungere la stabilità in volo stazionario e libero. E’ stato considerato uno studio sulla stabilizzazione passiva mediante superfici aerodinamiche di smorzamento per raggiungere la stazionarietà durante il volo. Tali superfici sono state utilizzate per evidenziare il comportamento del prototipo con vele e coda. Inoltre, il modello del sistema è stato sviluppato e confrontato con gli esperimenti a volo libero. Successivamente sono stati studiati due metodi per la generazione del momento necessario per controllare le dinamiche di beccheggio e di rollio: il movimento di una coda e il wing twist modulation, ovvero la deformazione delle ali. Per continuare il progetto è stato scelto il secondo. Inoltre, alcuni servo attuatori sono stati considerati e testati per scegliere quello più adatto e la scheda di controllo del volo è stata analizzata al fine di acquisire segnali precisi dal sensore di movimento. Infine, il prototipo è stato testato su un giunto cardanico a due gradi di libertà. Alcune tecniche di controllo sono state utilizzate per stabilizzare la dinamica di beccheggio e di rollio. Allo stesso tempo, il giunto cardanico è stato modellato ed è stata fatta una simulazione con Matlab Simulink. La tecnica di controllo implementata ha permesso di raggiungere la stabilità in entrambi gli assi sul banco di prova e ha fornito una buona base per futuri studi e un volo libero.
Robotic hummingbird : study of passive dampers and development of active control mechanism for hovering stabilization
FAZZI, LUIGI;ANDREOLLI, GABRIELE
2014/2015
Abstract
Different types of drones are developed nowadays and their usage is continuously increasing. Initially thought for military purposes such as monitoring dangerous places and espionage, currently are useful in civil applications like surveillance, aerial filming and hobbyist First Person View racing. The robotic hummingbird developed by the Active Structure Laboratory is a Flapping wings drone that can be placed in the Micro Air Vehicles (MAVs) family, which peculiarity is to be small sized. This project in particular, wants to mimic the dimensions and hovering capability of a hummingbird and its goal is fixed to 20 grams weight, 25 cm wingspan and a flapping frequency between 20 and 30 Hz. In this thesis the work done by Matej Karasek is continued and improved. The goal of our period in the laboratory was to study the passive stabilization of the robot and to implement and develop a method to actively stabilize the prototype to reach hovering stability in free flight. A study on the passive stabilization using aerodynamic damping surfaces has been considered to reach hovering during free flights. These are used to see the behaviour of the prototype with sails and tail. Moreover, the model of the system has been developed and compared with the free flight experiments. Then two methods to generate the moment to control pitch and roll dynamics have been studied. These are the motion of a tail and the wing twist modulation; the second one has been chosen to continue the project. Moreover, some servo actuators have been considered and tested to choose the most appropriate one and the flight control board analysed in order to acquire accurate signals from the motion sensor. Finally, the prototype with wing twist was tested on a two DOF gimbal. Some control technique have been used to stabilize pitch and roll dynamics. At the same time the gimbal was modelled and a simulation was done with Matlab Simulink. The control technique implemented allowed to reach the stability in both directions on test bench and provided good basis for future studies and free flight.| File | Dimensione | Formato | |
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