Development and testing of a 3 dof tandem flapping wing mechanism

Abstract

Bu tezin amacı; çırpan kanatlar etrafındaki karmaşık 3-B akışları incelemek amacı ile böcek uçuşunu taklit etme yeteneği olan çift kanatlı bir çırpan kanat test düzeneği geliştirmektir. Böylece, bu tip kararsız akışların incelenmesinden elde edilen değerli veriler gelecekte mikro hava araçlarının tasarımı için gereken bilgiyi sağlayacaktır. Mekanizma son teknoloji ürünü çok eksenli kuvvet ve dönme momenti algılayıcısı ile donatılmıştır. Kanat üzerine yerleştirilen bu algılayıcılar sayesinde kanada uygulanan kuvvet ve momentler eş zamanlı olarak ölçülebilmektedir. Mekanizmayı tasarlarken farklı kuş ve böcek türlerinin kanat çırpma şekilleri incelenmiştir. Ayrıca, çırpan kanat teknolojisi hakkında daha iyi bir fikir sahibi olma amacı ile kanat çırpan mikro hava araçları ve çırpan kanat test düzenekleri incelenmiştir. Böylece, tasarlanacak yeni sistemin gereksinimleri belirlenmiştir. Mekanizma 3 farklı motor ile sürülen mekanik bir dirsek aracılığı ile 3 eksende dönme hareketini sağlar. Motor sürücüler, algılayıcılar ve ana bilgisayar ile kanatlar arasındaki veri alışverişi özgün yazılıma 'Wing-Sim' sahip mikro kontrolcü ile sağlanmaktadır. Wing-Sim aracılığı ile farklı kanat çırpma şekilleri gerçekleştirilir ve eş zamanlı olarak kaydedilir. Deneyler sırasında 3mm kalınlığında levha kanat kesitli 24 cm kanat uzunluğu 8 cm veter uzunluğu ölçülerinde kanat kullanılmıştır. Mekanizmanın ince ayar ve ölçüm doğrulama verileri sonuç kısmında sunulmuştur.Anahtar Kelimeler: Çırpan Kanat Mekanizması, Zamana Bağlı Aerodinamik, Kuvvet Ölçümü, Mikro Hava Aracı

Scope of the thesis is to develop a tandem flapping wing mechanism, capable of mimicking the insect flight, in order to investigate the 3-D complex nature of the flow around the flapping wings. Thus, valuable data about the unsteady aerodynamics of such flow can be obtained in order to provide necessary knowledge for development of future Micro Air Vehicles (MAVs). The mechanism is equipped with a state of art multi axial force and torque sensor. By placing the sensor to the root chord of the wing, any force and moment that are exerted to wing can be measured in real-time. In order to design the mechanism, wing trajectories of various insect and birds are investigated. Moreover; different flapping MAVs and flapping wing test setups are examined to provide a better understanding of existing flapping wing technology. By doing so, requirements for a new mechanism are decided. The mechanism has a robotic wrist, enabling the rotation in three axis, which are driven by three motor for each wing. A custom made micro controller with embedded software 'Wing-Sim' governs the motor drivers, sensors and data transfer between the main computer and wings. Furthermore; different wing trajectories can be performed and logged by Wing-Sim. During the experiments a bio-inspired wing measuring 24 cm span and 8 cm chord, with 3 mm thickness flat plate airfoils are used. Calibration and validation test of the system are completed and presented in the results.Keywords: Flapping Wing Mechanism, Unsteady Aerodynamics, Force Measurement,Micro Air Vehicles