JP2008001269A - Control device and method for drive mechanism of flapping wing - Google Patents

Control device and method for drive mechanism of flapping wing Download PDF

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Hiroshi Isshiki
浩 一色
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SURI KAISEKI KENKYUSHO KK
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To cancel inertial force applied to flapping wings even when an operating state is changed. <P>SOLUTION: In this drive mechanism 1, support shafts provided in base end sides of the flapping wings arranged in right and left sides of a body of a small flight device are rotatably supported in the both right and left side positions of the body, and gears mounted to the respective support shafts are engaged with each other. A drive gear mounted to a motor 6 for wing drive is engaged with one of the gears, and flapping operation of the right and left flapping wings can be performed by the motor 6 for wing drive. Frequency of voltage input to the motor 6 for wing drive is controlled such that a phase of a rotating angle θ<SB>1</SB>of the gear corresponding to a flapping angle of the flapping wings is advanced at -90° with respect to voltage e<SB>m</SB>input to the motor 6 for wing drive. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、羽ばたき型小型飛行装置における羽ばたき翼を駆動機構により羽ばたき作動させる際に、該羽ばたき翼に作用する慣性力の変動を吸収できるようにするために用いる羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置に関するものである。   The present invention provides a control method for a flapping wing drive mechanism used to absorb fluctuations in inertial force acting on the flapping wing when the flapping wing of the flapping type small flying apparatus is fluttered by the driving mechanism. It relates to the device.

近年、屋内外の高所位置や災害発生現場等の人が容易に近づくことが困難な場所、あるいは、化学物質、微生物、放射性物質等での汚染が想定されるような場所の現場状況を調べる場合等に、大きさが数十センチメートル以下というような非常に小型の飛行装置(Micro Air Vehicle:MAV)に、カメラ、マイク、雰囲気ガス中の化学物質、微生物、放射性物質等の有無を検出するための所要の分析装置等の機器を搭載して、該小型飛行装置を目標となる位置まで飛行させ、該小型飛行装置に搭載された機器により検出される現場の計測結果を基に、遠隔地より上記目標位置の情報収集を実施できるようにすることが考えられてきている。   In recent years, check the site conditions in places where it is difficult for people to easily approach, such as indoor and outdoor high places and disaster occurrence sites, or where contamination with chemical substances, microorganisms, radioactive substances, etc. is assumed In some cases, it is possible to detect the presence of chemical substances, microorganisms, radioactive substances, etc. in cameras, microphones, and atmospheric gases in very small flying devices (Micro Air Vehicle: MAV) whose size is several tens of centimeters or less. Equipped with the required analysis equipment and other equipment to carry out the flight to the target position, and based on the on-site measurement results detected by the equipment mounted on the small flight equipment, It has been considered that the information on the target position can be collected from the ground.

ところで、飛行体とその周囲の流体との相互作用を、流体の慣性力と粘性力の比であるレイノルズ数で整理すると、従来一般に実用化されているメートルサイズの飛行体では、たとえば、通常の航空機のレイノルズ数が10〜10のオーダーを示すように、レイノルズ数が高くて慣性力が支配的となっているのに対し、上記のようなサイズが小さい小型飛行装置では、レイノルズ数が10〜10程度と低い値となり、周囲の気体(流体)との相互作用では、慣性力と共に粘性力の影響が大となる。又、上記小型飛行装置は、サイズが小さくて機体重量が軽いことから、気流等の影響を容易に受け易く、常に突風の中を飛行するような状態となる。更に、屋内での飛行や、屋外での気流中を飛行させるためには、垂直離着陸、急旋回、空中停止飛行(ホバリング)等の非常に高度な飛行性能が要求されることから、航空機やヘリコプター等の従来の飛行体とは非常に異なる設計が必要とされている。 By the way, when the interaction between the flying object and the surrounding fluid is organized by the Reynolds number, which is the ratio of the inertial force and the viscous force of the fluid, As the Reynolds number of the aircraft is on the order of 10 7 to 10 8 , the Reynolds number is high and the inertial force is dominant. The value is as low as about 10 4 to 10 5 , and in the interaction with the surrounding gas (fluid), the influence of the viscous force as well as the inertia force becomes large. Further, since the small flying device is small in size and light in weight, it is easily affected by air currents and is always in a state of flying in a gust of wind. Furthermore, in order to fly indoors and in the airflow outdoors, very high flight performances such as vertical takeoff and landing, sudden turning, and air stop flight (hovering) are required, so aircraft and helicopters Therefore, a very different design from that of the conventional aircraft is required.

そのため、上記小型飛行装置にて垂直離着陸、急旋回、空中停止飛行等を行わせることができるようにするため飛行手段の1つとして、羽ばたき飛行する形式の小型飛行装置が考えられてきている。   Therefore, in order to allow the above-mentioned small flying device to perform vertical take-off and landing, sudden turn, flying in the air, etc., a small flying device of a type of flapping flight has been considered as one of the flying means.

この種の羽ばたき飛行する形式の小型飛行装置として、本発明者は、胴体の左右位置の複数個所、たとえば、胴体の前部左右位置と後部左右位置の複数個所に、羽ばたき翼を、それぞれ独立して上下方向に角度調整可能に設け、且つ上記各羽ばたき翼を所要の角度姿勢に保持しながら羽ばたき作動させるための翼駆動用モータや線形アクチュエータ等のアクチュエータを個別に設けてなる構成を備えた羽ばたき型小型飛行装置を提案している。   As a small-sized flying device of this type of flapping flight, the present inventor has independently provided flapping wings at a plurality of positions in the left and right positions of the fuselage, for example, at a plurality of positions in the front left and right positions and the left and right positions of the rear. Flapping provided with a configuration in which an actuator such as a wing drive motor or a linear actuator is provided individually so that the angle can be adjusted in the vertical direction and the flapping wing is operated while flapping while maintaining the above-mentioned flapping wing in a required angle posture. A small type of flying device is proposed.

かかる形式の羽ばたき型小型飛行装置によれば、上記各羽ばたき翼を、それぞれ独立して上下方向の角度姿勢、すなわち、迎角をそれぞれ調整すると共に、上記各アクチュエータによる各羽ばたき翼を所定の周波数で羽ばたき作動させる際の振幅をそれぞれ制御することにより、該各羽ばたき翼の羽ばたき作動により得られる揚力と、推進力の大きさをそれぞれ調整して、上記各羽ばたき翼より胴体にそれぞれ作用させる揚力の大きさと、推進力の大きさ及び方向を個別に制御することで、気流中でも水平姿勢を保持したり、垂直離着陸や空中停止飛行等の高度な飛行性能を達成できるようにしてある(たとえば、特許文献1参照)。   According to this type of flapping type small flying device, each of the flapping wings is independently adjusted in the vertical angle posture, that is, the angle of attack, and each flapping wing by each of the actuators is adjusted at a predetermined frequency. By controlling the amplitude at the time of flapping operation, the lift obtained by the flapping operation of each flapping wing and the magnitude of the propulsive force are adjusted respectively, and the magnitude of the lift acting on the fuselage from each flapping wing. In addition, by individually controlling the magnitude and direction of the propulsive force, it is possible to maintain a horizontal posture even in an air current, and to achieve advanced flight performance such as vertical take-off and landing and aerial stop flight (for example, Patent Documents) 1).

又、本発明者は、先の出願(特願2004−333507号)において、胴体の左右位置に、羽ばたき翼を羽ばたき作動させるための別々の翼駆動用モータやアクチュエータを設け、該各アクチュエータの出力軸に、左右一対の羽ばたき翼を個別に取り付けて、上記各アクチュエータにより上記左右の羽ばたき翼の羽ばたき作動を独立に制御できるようにし、更に、上記胴体の所要位置に、錘の移動に伴って機体重心の位置を変位させて胴体の姿勢を制御できるようにしてある重心移動装置を設けてなる構成を備えた羽ばたき型小型飛行装置も提案している。   In addition, in the previous application (Japanese Patent Application No. 2004-333507), the present inventor provided separate blade driving motors and actuators for flapping the flapping wings at the left and right positions of the fuselage, and the outputs of the respective actuators. A pair of left and right flapping wings are individually attached to the shaft so that the flapping operation of the left and right flapping wings can be independently controlled by the actuators, and the fuselage is moved to the required position of the fuselage as the weight moves. There has also been proposed a flapping type small flying device having a configuration in which a center-of-gravity moving device is provided so that the posture of the fuselage can be controlled by displacing the position of the center of gravity.

かかる形式の羽ばたき型小型飛行装置によれば、上記重心移動装置にて機体重心の位置を胴体の前後方向へ変位させることにより、上記胴体の前後方向角度姿勢と一緒に左右の各羽ばたき翼の迎角を変更することができるようになる。このことから、上記胴体の前後方向角度姿勢と一緒の各羽ばたき翼の迎角の制御と、各羽ばたき翼の羽ばたき作動の均等な制御を行うことにより、上記各羽ばたき翼にて発生させる力の方向及び大きさを変更し、該各羽ばたき翼より胴体へ作用させる揚力と推進力の大きさをそれぞれ調整できるようにして、前進飛行時の速度を低速から高速まで自在に変更したり、上昇、下降を自在に行なうことができるようにしてある。更に、上記左右の各羽ばたき翼の羽ばたき作動を左右で相違させて、該各羽ばたき翼より胴体の左右位置へ作用させる推進力の大きさを変更するときに、胴体の左右位置へ作用する揚力の大きさの差が生じるときには、この揚力の差を打ち消すように上記重心移動装置にて機体の左右の重量バランスを変更することで、胴体の左右方向を水平状態に保持したまま左右方向へ旋回させることができるようにしてある。したがって、飛行速度、飛行高度を自在に変更したり、左右方向への旋回飛行を自在に行って、高度な飛行性能を達成することができるようにしてある。   According to this type of flapping type small flying device, the center of gravity of the aircraft is displaced in the front-rear direction of the fuselage by the center-of-gravity movement device, so that the left and right flapping wings can be received together with the front-rear angle posture of the fuselage. The corner can be changed. From this, the direction of the force generated by each flapping wing by performing the control of the angle of attack of each flapping wing along with the longitudinal angle posture of the fuselage and the equal fluttering operation of each flapping wing. And the size can be changed, and the size of lift and propulsive force applied to the fuselage from each flapping wing can be adjusted individually, and the speed during forward flight can be freely changed from low speed to high speed, and rising and falling Can be performed freely. Further, when the flapping action of the left and right flapping wings is made different between the left and right, and the magnitude of the propulsive force acting from the flapping wings to the left and right positions of the fuselage is changed, the lift force acting on the left and right positions of the fuselage is changed. When there is a difference in size, the weight balance between the left and right sides of the fuselage is changed by the center of gravity moving device so as to cancel the difference in lift, so that the left and right sides of the fuselage are kept in a horizontal state and are turned left and right. I can do it. Therefore, advanced flight performance can be achieved by freely changing the flight speed and the flight altitude, or by freely making a turn flight in the left-right direction.

ところで、上記した各形式の羽ばたき型小型飛行装置では、使用目的に対応させたペイロードを十分に搭載できるようにしたり、長距離を長時間飛行できるようにすることが求められることがあり、そのために、各翼を数10Hz〜数100Hzというような高い周波数で羽ばたかせる必要が生じることがある。このように、各翼を高い周波数で羽ばたかせる場合には、各翼各羽ばたき翼の羽ばたき作動時に発生する慣性力の変動をいかに処理するかが重要となる。   By the way, in each type of flapping type small flight device described above, it may be required to be able to mount a payload corresponding to the purpose of use sufficiently or to be able to fly over a long distance for a long time. In some cases, it is necessary to make each wing flutter at a high frequency such as several tens Hz to several hundred Hz. Thus, in the case where each wing is caused to flutter at a high frequency, it is important how to handle the fluctuation of the inertial force generated during the flapping operation of each wing.

そのために、上記した各形式の羽ばたき型小型飛行装置では、いずれも、各羽ばたき翼を羽ばたき作動させるアクチュエータを、それぞれ対応する羽ばたき翼に復元力を作用させて羽ばたき作動させることができるようにしたアクチュエータとして、該アクチュエータの可動部、該アクチュエータにて羽ばたき作動させられる羽ばたき翼、及び、該羽ばたき翼の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、アクチュエータより羽ばたき翼へ作用させる復元力とにより形成される振動系の共振周波数と等しい周波数となるように、上記アクチュエータにて羽ばたき翼を羽ばたき作動させることで、上記慣性力をキャンセルすることができるようにしてある。   Therefore, in each of the above-described types of flapping type small flying devices, an actuator that flutters each flapping wing can be operated by applying a restoring force to the corresponding flapping wing. As a movable part of the actuator, a flapping wing operated by flapping by the actuator, an inertial force of air that moves together with the flapping operation of the flapping wing, and a restoring force that acts on the flapping wing from the actuator The inertial force can be canceled by operating the flapping wing of the flapping blade with the actuator so that the frequency is equal to the resonance frequency of the vibration system formed by the above.

具体的には、上記アクチュエータとして翼駆動用モータを用いる場合には、該翼駆動用モータを、出力軸と固定側との間に所要の弾性係数を有する弾性部材を介在させて出力軸に復元トルクを与えながら該出力軸を正、逆転駆動できるようにした共振型の構成とするようにしてある。したがって、各翼駆動用モータにて出力軸に取り付けた羽ばたき翼を羽ばたき作動させるときには、弾性部材により復元力としての復元トルクを作用させるようにする。これにより、翼駆動用モータの回転する可動部、羽ばたき翼及び該羽ばたき翼の羽ばたき作動に伴われて一緒に運動する空気の慣性力と、上記弾性部材より翼駆動用モータの出力軸に与えるようにしてある復元トルクとが作る振動系に対して、翼駆動用モータの出力軸の交互の正、逆転駆動により変動外力を加えるときに、該変動外力の周波数が上記振動系の共振周波数に等しくなるよう上記翼駆動用モータの出力軸の交互の正、逆転駆動の周波数を調整することで、上記慣性力をキャンセルさせて、翼駆動用モータの負荷を軽減することができるようにしてある。   Specifically, when a blade driving motor is used as the actuator, the blade driving motor is restored to the output shaft by interposing an elastic member having a required elastic coefficient between the output shaft and the fixed side. The output shaft is configured so as to be able to drive forward and reverse while applying torque. Therefore, when the flapping wing attached to the output shaft is operated by each wing driving motor, a restoring torque as a restoring force is applied by the elastic member. As a result, the rotating movable part of the blade driving motor, the flapping wing, the inertial force of the air that moves together with the flapping operation of the flapping wing, and the elastic member are applied to the output shaft of the wing driving motor. When a variable external force is applied to the vibration system created by a certain restoring torque by alternating forward and reverse drive of the output shaft of the blade drive motor, the frequency of the variable external force is equal to the resonance frequency of the vibration system. Thus, by adjusting the frequency of alternating forward and reverse driving of the output shaft of the blade driving motor, the inertia force can be canceled and the load of the blade driving motor can be reduced.

又、アクチュエータとして線形アクチュエータを用いる場合には、該線形アクチュエータを、出力軸と固定側との間に所要の弾性係数を有する弾性部材を介在させて出力軸に復元力を与えながら該出力軸を軸心方向に振動できるようにしてなる共振型の構成とするようにしてある。したがって、各線形アクチュエータにて出力軸に取り付けた羽ばたき翼を羽ばたき作動させるときには、弾性部材により復元力を作用させることにより、線形アクチュエータの振動する可動部、羽ばたき翼及び該羽ばたき翼の羽ばたき作動に伴われて一緒に運動する空気の慣性力と、上記弾性部材より線形アクチュエータの出力軸に与えるようにしてある復元力とが作る振動系に対して、線形アクチュエータの出力軸の振動により変動外力を加えるときに、該変動外力の周波数が上記振動系の共振周波数に等しくなるように上記線形アクチュエータの出力軸を振動させる周波数を調整することで、上記慣性力をキャンセルさせて、線形アクチュエータの負荷を軽減することができるようにしてある。   When a linear actuator is used as the actuator, the linear actuator is placed on the output shaft while applying a restoring force to the output shaft by interposing an elastic member having a required elastic coefficient between the output shaft and the fixed side. A resonance type configuration that can vibrate in the axial direction is employed. Therefore, when flapping the flapping wing attached to the output shaft with each linear actuator, the restoring force is applied by the elastic member, so that the moving part, flapping wing, and flapping operation of the flapping wing of the linear actuator are accompanied. Fluctuating external force is applied by the vibration of the output shaft of the linear actuator to the vibration system created by the inertial force of the air that moves together and the restoring force that is applied to the output shaft of the linear actuator by the elastic member. Sometimes, by adjusting the frequency to vibrate the output shaft of the linear actuator so that the frequency of the varying external force becomes equal to the resonance frequency of the vibration system, the inertial force is canceled and the load on the linear actuator is reduced. You can do that.

特開2006−088769号公報JP 2006-088769 A

ところが、上記した各形式の羽ばたき型小型飛行装置では、翼駆動用モータや線形アクチュエータ等のアクチュエータにより羽ばたき翼を羽ばたき作動させるときの周波数が、上記共振周波数とが等しい周波数となるようにして、上記アクチュエータにより往復動させる羽ばたき翼に作用する慣性力をキャンセルさせるようにしてある。しかし、実際には、飛行状態の変化に応じて羽ばたき翼の往復動の速度を変化させると、該羽ばたき翼に作用する空気力が変化して、負荷質量やダンピング係数が変化する。このために、上記翼駆動用モータや線形アクチュエータ等のアクチュエータに復元力を付与するための弾性部材における弾性係数が一定であっても、該アクチュエータの可動部、該アクチュエータにて羽ばたき作動させられる羽ばたき翼、及び、該羽ばたき翼の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、アクチュエータより羽ばたき翼へ作用させる復元力とにより形成される振動系の共振周波数が変化することとなる。   However, in the above-described flapping type small flying devices, the frequency when the flapping wing is fluttered by an actuator such as a wing driving motor or a linear actuator is equal to the resonance frequency, The inertial force acting on the flapping wing reciprocated by the actuator is canceled. However, actually, when the speed of the reciprocating motion of the flapping wing is changed according to the change in the flight state, the aerodynamic force acting on the flapping wing changes, and the load mass and the damping coefficient change. For this reason, even if the elastic coefficient of the elastic member for applying a restoring force to the actuator such as the blade driving motor and the linear actuator is constant, the movable part of the actuator and the flapping that is operated by the actuator. The resonance frequency of the vibration system formed by the inertial force of the air that moves together with the flapping operation of the wing and the flapping wing and the restoring force that acts on the flapping wing from the actuator changes.

そこで、本発明は、上記のように、羽ばたき翼の往復動の速度を変化させて、羽ばたき翼に作用する空気力の変化に伴う付加質量やダンピング係数が変化して、上記振動系の共振周波数が変化しても、この共振周波数の変化に追従してアクチュエータにより羽ばたき翼を往復動させるときの周波数を最適に変化させることができる羽ばたき翼駆動機構の制御方法及び装置を提供しようとするものである。   Therefore, as described above, the present invention changes the reciprocating speed of the flapping wing, changes the additional mass and the damping coefficient associated with the change of aerodynamic force acting on the flapping wing, and changes the resonance frequency of the vibration system. The control method and apparatus for the flapping wing drive mechanism that can optimally change the frequency when the flapping wing is reciprocated by the actuator following the change in the resonance frequency even if the frequency fluctuates. is there.

本発明は、上記課題を解決するために、請求項1に係る発明に対応して、小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧に対して、上記羽ばたき翼の羽ばたき角の位相が−90度進みとなるように、上記アクチュエータへ入力させる電圧の周波数を制御するようにする羽ばたき翼の駆動機構の制御方法とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the present invention, corresponding to the first aspect of the present invention, connects the base end sides of the flapping wings arranged on the left and right sides of the fuselage of the small flying device to the output shaft of the actuator. In response to the voltage input to the actuator in the flapping wing drive mechanism, the flapping wing can be operated by reciprocating driving in the rotational direction or linear direction of the output shaft of the actuator while applying a restoring force. Thus, the flapping wing drive mechanism control method controls the frequency of the voltage input to the actuator so that the flapping angle phase of the flapping wing advances by -90 degrees.

又、上記において、アクチュエータへ入力させる電圧の周波数の制御を、上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積の値を、所要のローパスフィルタにて処理し、更に、電圧制御発振器により、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせ、アンプより上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧となるように電力供給を行うことで行わせるようにする。   In the above, the frequency of the voltage input to the actuator is controlled by processing the value of the product of the voltage input to the actuator and the flapping angle of the flapping wing with a required low-pass filter, and further voltage control. The oscillator oscillates at a frequency corresponding to a required voltage so that the value obtained after processing by the low pass filter becomes zero, and is oscillated from the amplifier to the actuator by the voltage controlled oscillator. It is made to perform by supplying electric power so that it may become the voltage of the frequency according to the frequency.

更に、請求項3に係る発明に対応して、小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積を算出する乗算器と、該乗算器の算出値を処理する所要のローパスフィルタと、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるように所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせるための電圧制御発振器と、上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧の電力供給を行うことができるようにしてあるアンプとを備えた羽ばたき翼の駆動機構の制御装置とする。   Further, in response to the invention according to claim 3, the base end sides of the flapping wings disposed on the left and right sides of the fuselage of the small flying device are connected to the output shaft of the actuator, and the restoring force is applied while the actuator is operated. The product of the voltage input to the actuator in the flapping wing drive mechanism that is capable of flapping the flapping wing by the reciprocating drive in the rotational direction or linear direction of the output shaft and the flapping angle of the flapping wing. A multiplier for calculation, a required low-pass filter for processing the calculated value of the multiplier, and oscillation of a frequency corresponding to a required voltage so that a value obtained after processing by the low-pass filter becomes zero A voltage-controlled oscillator for supplying power to the actuator with a voltage having a frequency corresponding to the frequency oscillated from the voltage-controlled oscillator. Ukoto the control device of the flapping wings of the drive mechanism includes an amplifier that is to allow.

本発明によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
(1)小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧に対して、上記羽ばたき翼の羽ばたき角の位相が−90度進みとなるように、上記アクチュエータへ入力させる電圧の周波数を制御するようにする羽ばたき翼の駆動機構の制御方法としてあるので、小型飛行装置を飛行させるべく羽ばたき翼を羽ばたき作動させる際に、運転状態の変化によって各羽ばたき翼の往復動の速度を変化させることに伴って、該各羽ばたき翼に作用する空気力の負荷質量や、ダンピング係数が変化して、アクチュエータへの入力電圧の周波数、及び、各羽ばたき翼の羽ばたき作動の周波数が、上記アクチュエータの可動部、羽ばたき作動させられる各羽ばたき翼、及び、該各羽ばたき翼の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、上記羽ばたき翼へ作用させている復元力とにより形成される振動系の共振周波数からずれを生じても、上記アクチュエータの入力電圧の周波数と、羽ばたき翼の羽ばたき作動の周波数を自動的に変化させて、上記共振周波数からのずれを解消できる。したがって、上記小型飛行装置の運転状態を変化させても、羽ばたき翼を、上記共振周波数に一致する周波数で羽ばたき作動させることができて、上記羽ばたき翼に作用する慣性力をキャンセルさせることが可能となる。
(2)アクチュエータへ入力させる電圧の周波数の制御を、上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積の値を、所要のローパスフィルタにて処理し、更に、電圧制御発振器により、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせ、アンプより上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧となるように電力供給を行うことで行わせるようにする制御方法、及び、上記と同様の羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積を算出する乗算器、該乗算器の算出値を処理する所要のローパスフィルタ、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるように所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせるための電圧制御発振器、上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧の電力供給を行うことができるようにしてあるアンプを備えてなる構成を有する羽ばたき翼の駆動機構の制御装置とすることにより、上記(1)の制御方法を実現可能とすることができる。
According to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) The base end side of the flapping wing arranged on the left and right sides of the fuselage of the small flying device is connected to the output shaft of the actuator, and the reciprocating force is applied to the output shaft of the actuator while reciprocating. The phase of the flapping angle of the flapping wing is advanced by -90 degrees with respect to the voltage input to the actuator in the driving mechanism of the flapping wing, which is configured so that the flapping wing can be operated by flapping. The flapping wing drive mechanism control method controls the frequency of the voltage input to the actuator, so when flapping the flapping wing to fly the small flying device, The load mass of aerodynamic force acting on each flapping wing and When the damping coefficient changes, the frequency of the input voltage to the actuator and the flapping operation frequency of each flapping wing are the moving parts of the actuator, the flapping wings that are fluttered and the flapping operations of the flapping wings. Even if there is a deviation from the resonance frequency of the vibration system formed by the inertial force of the air that moves together and the restoring force acting on the flapping wing, the frequency of the input voltage of the actuator, It is possible to eliminate the deviation from the resonance frequency by automatically changing the flapping operation frequency of the flapping wing. Therefore, even if the operating state of the small flying device is changed, the flapping wing can be fluttered at a frequency that matches the resonance frequency, and the inertial force acting on the flapping wing can be canceled. Become.
(2) Control of the frequency of the voltage input to the actuator, the product value of the voltage input to the actuator and the flapping angle of the flapping wing is processed by a required low-pass filter, and further, the voltage controlled oscillator Oscillates at a frequency corresponding to a required voltage so that the value obtained after processing by the low-pass filter becomes zero, from the amplifier to the actuator, to the frequency oscillated from the voltage-controlled oscillator A control method for performing power supply so as to obtain a voltage of a corresponding frequency, a voltage to be input to the actuator in the driving mechanism of the flapping wing similar to the above, and a flapping angle of the flapping wing A multiplier for calculating the product of the above, a required low-pass filter for processing the calculated value of the multiplier, and the low-pass filter The voltage controlled oscillator for causing the frequency to be oscillated according to the required voltage so that the value obtained after processing is zero, and the actuator to the voltage having the frequency according to the frequency oscillated from the voltage controlled oscillator. By adopting a control device for a flapping wing drive mechanism having a configuration that includes an amplifier that can supply power, the control method of (1) can be realized.

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1乃至図5(イ)(ロ)(ハ)(ニ)(ホ)(ヘ)(ト)は本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置の実施の一形態を示すもので、図1はブロック図、図2は、本発明の適用対象となる羽ばたき型小型飛行装置の羽ばたき翼2の駆動機構1を示すものである。   FIGS. 1 to 5 (a), (b), (c), (d), (e), (f), and (g) show one embodiment of a method and apparatus for controlling a flapping wing drive mechanism according to the present invention. FIG. 1 is a block diagram, and FIG. 2 shows a driving mechanism 1 of a flapping wing 2 of a flapping type small flying apparatus to which the present invention is applied.

図2に示す駆動機構1は、胴体3の前後方向所要位置に備えるようにする。すなわち、胴体3の前後方向所要位置の左右両側部に、開口を設けて、該開口を通して左右一対の羽ばたき翼2の各基端側(内端側)を胴体3内へ位置させるようにする。該各羽ばたき翼2の基端部には、直角方向に支軸4が固定して取り付けてあり、該各支軸4が胴体3内の固定部(図示せず)に回転自在に挿通されて、図示しない軸受で回転自在に支持させるようにしてある。又、上記両支軸4には、同径のギヤ5が一体として回転できるようにそれぞれ取り付けてあり、該ギヤ5同士は図2に示す如く噛合して、一方のギヤ5が回転すると他方のギヤ5も同時に回転できるようにしてある。更に、胴部3内の固定部には、アクチュエータとしての翼駆動用モータ6が設置され、該翼駆動用モータ6の出力軸6aに取り付けた小径の駆動ギヤ7を、上記2つのギヤ5のいずれか一方に図示の如く噛合させた構成としてある。これにより、翼駆動用モータ6を駆動して駆動ギヤ7を介して動力を一方のギヤ5に伝えることにより、2つのギヤ5が同時に反対方向に回転し、支軸4を介し羽ばたき翼2が同時に上下方向へ回動して羽ばたき作動することができるようにしてある。更に、上記左右の羽ばたき翼2の支軸4と胴部3内の固定部、あるいは、上記翼駆動用モータ6における出力軸と胴部3内の固定部との間に、ばね等の図示しない弾性部材を介在させて設けて、該弾性部材の弾性力を、左右の羽ばたき翼2を振幅の中央の中立位置に引き戻すための復元力として作用させることができるようにしてある。   The drive mechanism 1 shown in FIG. 2 is provided at a required position in the front-rear direction of the body 3. That is, openings are provided on both left and right sides of the required position in the front-rear direction of the body 3, and the base end sides (inner end sides) of the pair of left and right flapping wings 2 are positioned in the body 3 through the openings. A support shaft 4 is fixedly attached to a base end portion of each flapping wing 2 in a perpendicular direction, and each support shaft 4 is rotatably inserted into a fixing portion (not shown) in the body 3. Further, it is supported so as to be rotatable by a bearing (not shown). Further, gears 5 of the same diameter are attached to both the support shafts 4 so that they can rotate as a unit. The gears 5 mesh with each other as shown in FIG. The gear 5 can also be rotated simultaneously. Further, a blade driving motor 6 as an actuator is installed in the fixed portion in the body portion 3, and a small-diameter driving gear 7 attached to the output shaft 6 a of the blade driving motor 6 is connected to the two gears 5. Either one is engaged as shown in the figure. As a result, the blade driving motor 6 is driven to transmit power to one gear 5 via the drive gear 7, so that the two gears 5 are simultaneously rotated in opposite directions, and the flapping blade 2 is rotated via the support shaft 4. At the same time, it can be operated by flapping by turning up and down. Further, a spring or the like is not shown between the support shaft 4 of the left and right flapping wings 2 and the fixed portion in the trunk portion 3 or between the output shaft and the fixed portion in the trunk portion 3 of the blade driving motor 6. An elastic member is provided so that the elastic force of the elastic member can act as a restoring force for pulling the left and right flapping wings 2 back to the neutral position in the center of the amplitude.

ここで、先ず、上記翼駆動用モータ6を、図3に示す如き電気子(回転子)8の外部に界磁コイル9を備えてなる他励式直流モータとして、その働きを考える。なお、2次的な影響は無視することとする。   Here, first, the operation of the blade driving motor 6 will be considered as a separately excited DC motor including a field coil 9 outside an electric element (rotor) 8 as shown in FIG. Secondary effects will be ignored.

電流iのときの上記翼駆動用モータ6の回転トルク(発生トルク)は、磁束をΦとすると、k´を定数として、k´Φである。又、回転数nのときの逆起電力は、kを定数として、kΦである。 Rotational torque of the blade driving motor 6 when the current i m (generated torque), when the magnetic flux and [Phi m, as constant k'm, a k'm Φ m i m. Further, the counter electromotive force when the rotational speed n m is the k m as a constant, a k m Φ m n m.

上記モータ6における電気子8の端子電圧、すなわち、入力電圧をe、内部抵抗をr、モータ6の回転慣性をJ、負荷トルクをqとすると、下記の方程式が得られる。 The terminal voltage of the armature 8 in the motor 6, i.e., the input voltage e m, the internal resistance r m, the rotational inertia J m of the motor 6, when the load torque and q m, the following equation is obtained.

すなわち、力学的関係は、

Figure 2008001269
又、電気的関係は、
Figure 2008001269
である。なお、上記(A2)式には、コイルを流れる電流が変動することによる自己誘導電圧が含まれるべきであると思われるが、ここでは省略している。 That is, the mechanical relationship is
Figure 2008001269
The electrical relationship is
Figure 2008001269
It is. In addition, although it seems that the said (A2) type should contain the self-induction voltage by the fluctuation | variation of the electric current which flows through a coil, it is abbreviate | omitting here.

上記(A2)式を電流iについて解くと、

Figure 2008001269
となり、これを上記(A1)式に代入すると、
Figure 2008001269
が得られる。 Solving for the current i m to the formula (A2),
Figure 2008001269
And substituting this into the above equation (A1),
Figure 2008001269
Is obtained.

次に、上記翼駆動用モータ6に取り付けてある駆動ギア7と、上記一方の羽ばたき翼2の支軸4に取り付けてあるギア5との間で生じる減速について考える。   Next, the deceleration generated between the drive gear 7 attached to the blade driving motor 6 and the gear 5 attached to the support shaft 4 of the one flapping blade 2 will be considered.

図4は、上記翼駆動用モータ6の出力軸に取り付けてある駆動ギア7と、上記一方の羽ばたき翼2の支軸4に取り付けてあるギア5との力学系を取り出して示したもので、上記駆動ギア7の直径をdとし、上記一方の羽ばたき翼2側のギア5の直径をdとする。上記駆動ギア7から上記モータ6へ伝達されるトルク(負荷トルク)をqとすると、上記直径dの駆動ギア7から上記直径dのギア5には、(d1/d)・qのトルクが伝達される。よって、この条件の下で、上記モータ6の回転速度(回転数)をn(rps)とすると共に、上記一方の羽ばたき翼2側から上記支軸4を介してギア5へ伝達されるトルク(負荷トルク)をqとし、ギア5の回転慣性をJとし、該ギア5の回転量(回転角度)をθとすると、該ギア5の運動方程式は、

Figure 2008001269
で与えられる。 FIG. 4 shows an extracted dynamic system of the drive gear 7 attached to the output shaft of the blade driving motor 6 and the gear 5 attached to the support shaft 4 of the one flapping blade 2. the diameter of the driving gear 7 and d m, the diameter of the gear 5 of the one flapping wing 2 side above the d 1. When the torque transmitted from the driving gear 7 to the motor 6 (load torque) and q m, the gear 5 from the driving gear 7 of the diameter d 1 of the diameter d m is, (d1 / d m) · q m torque is transmitted. Therefore, under this condition, the rotational speed (number of rotations) of the motor 6 is set to nm (rps), and torque transmitted from the one flapping blade 2 side to the gear 5 through the support shaft 4 When the (load torque) and q 1, the rotational inertia of the gear 5 and J 1, the rotation amount of the gear 5 (the rotation angle) and theta 1, the equation of motion of the gear 5,
Figure 2008001269
Given in.

上記翼駆動用モータ6に関しては、(A1)式で述べたように、その力学的関係は、

Figure 2008001269
であるので、上記(B1)式を負荷トルクqについて解いて(B2)式に代入すると、
Figure 2008001269
となる。この式に、上記モータ6の回転数nと、上記ギア5の回転角度θとの関係式である
Figure 2008001269
を代入すると、
Figure 2008001269
となる。 Regarding the blade driving motor 6, as described in the equation (A1), the mechanical relationship is
Figure 2008001269
Therefore, when the above equation (B1) is solved for the load torque q m and substituted into the equation (B2),
Figure 2008001269
It becomes. This equation is the relationship between the rotational speed n m of the motor 6, the rotation angle theta 1 of the gear 5
Figure 2008001269
Substituting
Figure 2008001269
It becomes.

一方、(A2)式、(A3)式で述べたように、上記翼駆動用モータ6の電気的関係

Figure 2008001269
を電流iについて解くと、
Figure 2008001269
であるので、これを上記(B5)式に代入すると、
Figure 2008001269
となる。 On the other hand, as described in the equations (A2) and (A3), the electrical relationship of the blade driving motor 6 is as follows.
Figure 2008001269
Solving for the current i m a,
Figure 2008001269
Therefore, if this is substituted into the above equation (B5),
Figure 2008001269
It becomes.

次いで、以上のことを基にして、本発明の導出について述べる。図2に示した如き構成としてある羽ばたき型小型飛行装置における翼駆動用モータ6の運動方程式は、該モータ6の回転数をn、入力電圧をe、負荷トルクをq、回転慣性をJ、磁束をΦ、内部抵抗をrとし、逆起電力に関連する定数をk、発生トルクに関連する定数をk´とすると、前述の(A4)式より

Figure 2008001269
として与えられる。 Next, the derivation of the present invention will be described based on the above. Equation of motion of the wing driving motor 6 at a flapping type small flying device though such a structure shown in FIG. 2, the rotation speed n m of the motor 6, the input voltage e m, the load torque q m, the rotational inertia J m, the magnetic flux [Phi m, the internal resistance and r m, the constant associated with the counter electromotive force k m, the constants associated with the generated torque and k'm, from the above-mentioned (A4) formula
Figure 2008001269
As given.

又、上記翼駆動用モータ6の回転は、出力軸6aに取り付けてある駆動ギア7から一方(図上左側)の羽ばたき翼2の支軸4に取り付けてあるギア5へ減速されて伝達されるようにしてある。ギア5の回転慣性をJ、羽ばたき翼2の1枚当りの負荷トルクをqとし、上記駆動ギア7とギア5との間における上記モータ6から伝えられる回転の減速比をρとし、更に、上記ギア5には、他方の羽ばたき翼2の支軸4に取り付けたギア5が噛合させてあって、左右の羽ばたき翼2が、上記1つの翼駆動用モータ6の出力により羽ばたき作動させられるものとすると、上記(1)式は、前述の(B8)式により

Figure 2008001269
となる。 The rotation of the blade driving motor 6 is decelerated and transmitted from the drive gear 7 attached to the output shaft 6a to the gear 5 attached to the support shaft 4 of one flapping blade 2 (left side in the figure). It is like that. The rotational inertia of the gear 5 is J 1 , the load torque per flapping blade 2 is q 1 , the reduction ratio of the rotation transmitted from the motor 6 between the drive gear 7 and the gear 5 is ρ G , Further, the gear 5 is engaged with a gear 5 attached to the support shaft 4 of the other flapping wing 2 so that the left and right flapping wings 2 are fluttered by the output of the one blade driving motor 6. Assuming that the above equation (1) is expressed by the above equation (B8)
Figure 2008001269
It becomes.

ここで、左右の各羽ばたき翼2の回転中心となる支軸4の中心から、各羽ばたき翼2の重心までの距離をl、羽ばたき翼2の1枚当りの質量をm、各支軸4の中心から各羽ばたき翼2に作用する空気力の作用点までの距離をl、空気力によって作用する付加質量をm、ダンピング係数をnとし、更に、各羽ばたき翼2に図示しない弾性部材により作用させてある復元力をkとして、羽ばたき翼2の1枚当りの負荷トルクqを、

Figure 2008001269
と記載するようにする。又、上記ギア5の回転角度θと、上記モータ6の回転数nとの間には、
Figure 2008001269
という関係があるので、(3)式と(4)式を(2)式へ代入すると、
Figure 2008001269
が導かれる。なお、この(5)式では、(A2)式の導出時において述べたように、回転子コイルの自己誘導電圧は無視したものとしてある。又、この運動方程式における左辺第2項をみると、電気的な力が減衰力を与えていることが分かる。又、上記(A3)式と(4)式より、
Figure 2008001269
が求められる。 Here, the distance from the center of the support shaft 4 serving as the center of rotation of the left and right flapping wings 2 to the center of gravity of each flapping wing 2 is l G , the mass per flapping wing 2 is m 1 , and each support shaft. The distance from the center of 4 to the point of application of the aerodynamic force acting on each flapping wing 2 is l F , the additional mass acting by the aerodynamic force is m F , the damping coefficient is n F, and each flapping wing 2 is not shown in the figure. Assuming that the restoring force applied by the elastic member is k 1 , the load torque q 1 per flapping wing 2 is
Figure 2008001269
To be described. Further, the rotation angle theta 1 of the gear 5 and between the rotational speed n m of the motor 6,
Figure 2008001269
Therefore, substituting (3) and (4) into (2),
Figure 2008001269
Is guided. In the equation (5), as described in the derivation of the equation (A2), the self-induced voltage of the rotor coil is ignored. Also, looking at the second term on the left side of this equation of motion, it can be seen that the electrical force gives the damping force. From the above formulas (A3) and (4),
Figure 2008001269
Is required.

そこで、

Figure 2008001269
を、上記(5)式と(6)式に代入すると、それぞれ、
Figure 2008001269
Figure 2008001269
となるので、電圧eに対するギア5の回転角度θの応答関数は、
Figure 2008001269
となる。よって、電圧eに対する電流iの応答関数は、(9)式と(10)式より、
Figure 2008001269
と求まる。なお、ここで、上記翼駆動用モータ6における回転子コイルの自己誘導電圧を含める場合には、インダクタンスをLとすると、上記モータの内部抵抗rを、r+j2πfLとすればよいと考えられる。したがって、上記モータ6の回転子コイルの自己誘導電圧を含めることは、慣性を大にする作用が予想される。 Therefore,
Figure 2008001269
Is substituted into the above equations (5) and (6),
Figure 2008001269
Figure 2008001269
Since the response function of the rotation angle theta 1 of the gear 5 with respect to the voltage e m is
Figure 2008001269
It becomes. Therefore, the response function of the current i m for voltage e m, from (9) and (10),
Figure 2008001269
It is obtained. Here, when including the self-induced voltage of the rotor coil in the blade driving motor 6, assuming that the inductance is L m , the internal resistance r m of the motor may be r m + j2πfL m. Conceivable. Therefore, including the self-induced voltage of the rotor coil of the motor 6 is expected to increase the inertia.

次に、上記翼駆動用モータ6へ投入されるパワーは、

Figure 2008001269
であるので、これより平均Mean[e]、周波数Freq[e]、偏角Arg[e]は、
Figure 2008001269
と求まる。 Next, the power supplied to the blade driving motor 6 is:
Figure 2008001269
Since it is, than this average Mean [e m i m], the frequency Freq [e m i m], argument Arg [e m i m] is
Figure 2008001269
It is obtained.

共振周波数fを、上記(10)式で示した応答関数Hθ1em(f)の大きさを最大にする周波数とすると、(10)式の分母の絶対値を最小にするものとなるので、

Figure 2008001269
である。したがって、制御目標となる共振周波数fは、
Figure 2008001269
と求まる。 When the resonance frequency f 0 is a frequency that maximizes the magnitude of the response function H θ1em (f) shown in the above equation (10), the absolute value of the denominator in the equation (10) is minimized.
Figure 2008001269
It is. Therefore, the resonance frequency f 0 as the control target is
Figure 2008001269
It is obtained.

具体例を挙げて説明すると、図3に示した翼駆動用モータ6を、端子間抵抗(内部抵抗)が17.0Ω、印加電圧が12.0Vのときの起動電流が12.0V/17.0Ω=0.706Aで、そのときの起動トルクが0.00434Nmであるとする。これにより、k´Φは、
k´Φ=0.00434/0.706=0.00615Nms/A
となる。一方、無負荷回転数が18000rpmで、印加電圧が12Vのときの無負荷電流が0.012Aであるとする。これにより、kΦは、
Φ=(12−0.012×17)/(18000/60)=0.0393Vs
となる。
The blade driving motor 6 shown in FIG. 3 will be described with a specific example. The starting current when the inter-terminal resistance (internal resistance) is 17.0Ω and the applied voltage is 12.0 V is 12.0 V / 17. It is assumed that 0Ω = 0.006A and the starting torque at that time is 0.00434 Nm. As a result, k ′ m Φ m becomes
k ′ m Φ m = 0.00434 / 0.706 = 0.00615 Nms / A
It becomes. On the other hand, it is assumed that the no-load current is 0.012 A when the no-load rotation speed is 18000 rpm and the applied voltage is 12V. Thus, k m Φ m is
k m Φ m = (12-0.012 × 17) / (18000/60) = 0.0393Vs
It becomes.

更に、図2に示した羽ばたき型小型飛行装置における各種パラメータを以下のように設定する。   Further, various parameters in the flapping type small flight apparatus shown in FIG. 2 are set as follows.

支軸4の中心から羽ばたき翼2の重心までの距離:l=0.05m
羽ばたき翼2の1枚当りの質量:m=0.0025kg
支軸4中心から羽ばたき翼2に作用する空気力の作用点までの距離:l=0.075m
上記空気力による負荷質量:m=0.02kg
上記空気力によるダンピング係数:n=0.01kg/s
羽ばたき翼2に作用させる復元力:k=1.0Nm/rad
翼駆動用モータ6の回転慣性:J=0.000001kgm
駆動ギア7とギア5間における減速比:ρ=0.0625
なお、ギア5の回転慣性Jは無視できるものとして、J=0とした。
Distance from the center of the support shaft 4 to the center of gravity of the flapping wing 2: l G = 0.05 m
Mass per flapping wing 2: m 1 = 0.0025 kg
Distance from the center of the support shaft 4 to the point of application of aerodynamic force acting on the flapping wing 2: l F = 0.075 m
Load mass due to aerodynamic force: m F = 0.02 kg
Damping coefficient by the aerodynamic force: n F = 0.01 kg / s
Restoring force acting on flapping wing 2: k 1 = 1.0 Nm / rad
Rotational inertia of blade driving motor 6: J m = 0.000001 kgm 2
Reduction ratio between drive gear 7 and gear 5: ρ G = 0.0625
The rotational inertia J 1 of the gear 5 is assumed to be negligible, and J 1 = 0.

これらのパラメータを用いて上記(15)式により共振周波数fを求めると、10.131Hzとなる。よって周期Tは、0.0987sとなる。 If these parameters are used to determine the resonance frequency f 0 by the above equation (15), it is 10.131 Hz. Therefore, the period T 0 is 0.0987 s.

(10)式、(11)式、(13)式を計算した結果を図5(イ)(ロ)(ハ)(ニ)(ホ)(ヘ)(ト)に示す。上記共振周波数において、図5(イ)に示す如く、電圧eに対するギア5の回転角度の応答関数:Hθ1em(f)の絶対値は大幅に増加して極大となる。一方、図5(ハ)に示す如き電圧eに対する電流iの応答関数:Himem(f)の絶対値、図5(ホ)に示す如き規格化されたパワーの平均:mean[e]/|E |、図5(ヘ)に示す如き規格化されたパワーの振幅:Amp[e]/|E |は、いずれも大幅に減少する。 The results of calculating the equations (10), (11), and (13) are shown in FIGS. 5 (a), (b), (c), (d), (e), (f), and (g). In the resonance frequency, as shown in FIG. 5 (b), the response function of the rotation angle of the gear 5 with respect to the voltage e m: the absolute value of H θ1em (f) is the maximum increased dramatically. On the other hand, FIG. 5 (c) to the response function of the current i m for such voltage e m shown: the absolute value of H IMEM (f), the average of such normalized power shown in FIG. 5 (e): mean [e m i m] / | E m 2 |, Figure 5 of the power which is such standardized shown in (f) amplitude: Amp [e m i m] / | E m 2 | are both greatly reduced.

又、共振周波数の前後においては、図5(ロ)に示す如く、上記応答関数Hθ1em(f)の位相は0〜−180度に変化し、図5(ニ)に示す如き上記応答関数Himem(f)の位相、及び、図5(ト)に示す如きパワーの位相:eの位相は、いずれも−45〜45度に変化する。 Further, before and after the resonance frequency, the phase of the response function H θ1em (f) changes from 0 to −180 degrees as shown in FIG. 5B, and the response function H as shown in FIG. phase of IMEM (f), and, the power as shown in FIG. 5 (g) phase: phase of e m i m are both changed to -45~45 degrees.

更に、図5(ロ)より、羽ばたき翼2の羽ばたき角、すなわち、ギア5の回転角度:θ(t)と、電圧e(t)の位相差が、上記共振周波数(同調点)を挟んで0から−180度に変化する際、上記同調点における両者の位相差は、−90度である。よって、本発明では上記ギアの回転角度θ(t)と電圧e(t)との関係を同調維持制御に用いることにした。 Further, from FIG. 5 (b), the flapping angle of flapping wing 2, that is, the rotation angle of gear 5: θ 1 (t) and the phase difference between voltage e m (t) represent the resonance frequency (tuning point). When the angle is changed from 0 to −180 degrees, the phase difference between the two at the tuning point is −90 degrees. Accordingly, the present invention is to be used for tuning maintain control the relationship between the rotational angle of the gear theta 1 (t) and the voltage e m (t).

ここで、厳密には、前述の(5)式において、左辺第1項の慣性力項と、左辺第3項の復元力項がキャンセルした状態で、dθ(t)/dtとe(t)が同位相、すなわち、位相差が−90度となることから、厳密な意味で同調点ではない。 Strictly speaking, in the above equation (5), dθ 1 (t) / dt and e m (in the state where the inertial force term of the first term on the left side and the restoring force term of the third term on the left side are canceled. Since t) is the same phase, that is, the phase difference is −90 degrees, it is not a tuning point in a strict sense.

そこで、電圧e(t)と、羽ばたき翼2の羽ばたき角と一致するギア5の回転角度:θ(t)を、

Figure 2008001269
と書くことにすると、振幅EとΘ及び位相差φは次のようにして求めることができる。すなわち、e (t)、θ (t)、e(t)θ(t)は、それぞれ、
Figure 2008001269
Figure 2008001269
となるので、ローパスフィルタ(以下、LPFと記す)を通して、上記(18)式における右辺第2行の第2項を消すと、振幅EとΘ及び位相差φを求めることが可能となる。 Therefore, the voltage e m (t) and the rotation angle of the gear 5 that coincides with the flapping angle of the flapping wing 2: θ 1 (t)
Figure 2008001269
In this case, the amplitudes E m and Θ m and the phase difference φ can be obtained as follows. That is, e m 2 (t), θ 1 2 (t), and e m (t) θ 1 (t) are respectively
Figure 2008001269
Figure 2008001269
Since the low-pass filter (hereinafter, referred to as LPF) through and clear the second term of the second row the right side in the above (18), it is possible to determine the amplitude E m and theta m and the phase difference φ .

そこで、本発明では、図1にブロック図で示す如く、図2に示した如き羽ばたき型小型飛行装置における各羽ばたき翼2の駆動機構1に設けた図示しない検出部より入力される上記各羽ばたき翼2の羽ばたき角と一致するギア5の回転角度θと、上記各羽ばたき翼2を駆動する翼駆動用モータ6へ後述するアンプ10より入力させる電圧eとの積を求める乗算器11、LPF12、加算器13、電圧に比例した周波数を発振する電圧制御発振器(Voltage Contorol Oscillator:VCO)14、及び、上記アンプ10を、上記翼駆動用モータ6の上流側に設けて、羽ばたき翼2の駆動機構1の制御装置を構成するようにする。更に、かかる構成としてある制御装置を用いて羽ばたき翼2の駆動機構1の制御を行う場合は、翼駆動用モータ6の出力により各羽ばたき翼2を往復動させる際、各羽ばたき翼2の羽ばたき角と一致するギア5の回転角度θと、上記アンプ10より翼駆動用モータ6へ入力される電圧eとを上記乗算器11に入力して両者の積を算出した後、該上記θとeの積を上記LPF12を通すことで、上記(18)式における右辺第2行の第2項の成分を消す。次いで、上記VCO14より、上記(18)式にて残っている右辺第2行の第1項の成分をゼロとさせることができるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせて上記アンプ10へ入力させ、しかる後、該アンプ10より、上記翼駆動用モータ6へ上記VCO14より発振される周波数に応じた周波数で駆動用の電力供給を行うようにする。その後、この電力供給によって運転される翼駆動用モータ6にて駆動される羽ばたき翼2の羽ばたき角に相当するギア5の回転角度θと、上記アンプ10より翼駆動用モータ6へ入力される電圧eとを、再び上記乗算器11へ入力させて上記と同様の制御ループを繰り返すようにし、この制御ループの繰り返しの際には、上記加算器13にて、従前のLPF12の出力に対して1制御ループ(1タイムステップ)経過後の新たなLPF12の出力を加算してVCO14へ出力させるようにする。 Therefore, in the present invention, as shown in the block diagram of FIG. 1, each of the flapping wings input from a detection unit (not shown) provided in the driving mechanism 1 of each flapping wing 2 in the flapping type small flying apparatus as shown in FIG. and the rotation angle theta 1 of the gear 5 that matches the second flapping angle, the multiplier 11 for obtaining the product of the voltage e m to the input from the amplifier 10 to be described later to the blade drive motor 6 for driving the respective flapping wing 2, LPF 12 An adder 13, a voltage controlled oscillator (VCO) 14 that oscillates a frequency proportional to the voltage, and the amplifier 10 are provided upstream of the blade driving motor 6 to drive the flapping blade 2. The control device of the mechanism 1 is configured. Furthermore, when controlling the drive mechanism 1 of the flapping wing 2 using such a control device, when the flapping wing 2 is reciprocated by the output of the wing driving motor 6, the flapping angle of each flapping wing 2 is used. after the rotation angle theta 1 of the gear 5 to match, and the voltage e m input from the amplifier 10 to the blade drive motor 6 to calculate the product of both is inputted to the multiplier 11 and, upper Symbol theta 1 and the product of e m is passed through the LPF 12, turn off the components of the second term of the second row right side of the equation (18). Next, the VCO 14 oscillates at a frequency corresponding to a voltage required to make the component of the first term in the second row on the right side remaining in the equation (18) zero. Then, the power is supplied to the amplifier 10, and then the driving power is supplied from the amplifier 10 to the blade driving motor 6 at a frequency corresponding to the frequency oscillated from the VCO 14. Thereafter, the rotation angle θ 1 of the gear 5 corresponding to the flapping angle of the flapping wing 2 driven by the blade driving motor 6 driven by this power supply, and the amplifier 10 are input to the wing driving motor 6. a voltage e m, by prompting again to the multiplier 11 so as to repeat the same control loop as described above, during the repetition of the control loop, at the adder 13, to the output of the previous LPF12 Thus, the outputs of the new LPF 12 after the elapse of one control loop (one time step) are added and output to the VCO 14.

このように、本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置によれば、羽ばたき型小型飛行装置にて各羽ばたき翼2を羽ばたき作動させて飛行させる際に、運転状態の変化によって各羽ばたき翼2の往復動の速度を変化させることに伴って、該各羽ばたき翼2に作用する空気力の負荷質量mや、ダンピング係数nが変化し、この変化に起因して翼駆動用モータ6を駆動するための入力電圧eの周波数、及び、各羽ばたき翼2の羽ばたき作動の周波数が、上記翼駆動用モータ6の可動部、羽ばたき作動させられる各羽ばたき翼2、及び、該各羽ばたき翼2の羽ばたき作動に同伴されて一緒に運動する空気の慣性力と、図示しない弾性部材より各羽ばたき翼2へ作用させている復元力とにより形成される振動系の共振周波数からずれを生じても、翼駆動用モータ6を駆動するための入力電圧eの位相に対して、各羽ばたき翼2の羽ばたき角に一致するギア5の回転角度θの位相が−90度進みとなるように制御することで、上記共振周波数からのずれを解消できるようになる。 As described above, according to the control method and apparatus of the flapping wing drive mechanism of the present invention, when the flapping wing 2 is fluttered and operated by the flapping type small flying device, each flapping wing is caused by a change in the operating state. 2, the load mass m F of the aerodynamic force acting on each flapping wing 2 and the damping coefficient n F change, and the blade driving motor 6 is caused by this change. frequency of the input voltage e m for driving, and the frequency of the flapping operation each flapping wing 2, the movable part, the flapping wings 2 is caused to flapping operation of the blade drive motor 6 and, respective flapping wings 2 deviates from the resonance frequency of the vibration system formed by the inertial force of the air that moves together with the flapping operation of No. 2 and the restoring force acting on each flapping wing 2 from an elastic member (not shown). Even if, with respect to the phase of the input voltage e m for driving the blade drive motor 6, the rotation angle theta 1 of the phase of the gear 5 that matches the flapping angle of the flapping wing 2 is advances -90 ° By controlling in this way, the deviation from the resonance frequency can be eliminated.

したがって、上記羽ばたき型小型飛行装置の運転状態を変化させる場合に、羽ばたき翼2の羽ばたき作動の周波数と、上記振動系の共振周波数にずれが生じても、後述する数値シミュレーションの結果から明らかなように、羽ばたき翼2の羽ばたき作動の周波数を、上記振動系の共振周波数に一致するように自動的に変化させることができることから、上記各羽ばたき翼2に作用する慣性力をキャンセルさせた状態で該各羽ばたき翼2を羽ばたき作動させることができる。   Therefore, when the operation state of the flapping type small flying device is changed, even if there is a deviation between the flapping operation frequency of the flapping wing 2 and the resonance frequency of the vibration system, it will be clear from the result of numerical simulation described later. Further, since the flapping operation frequency of the flapping wing 2 can be automatically changed so as to coincide with the resonance frequency of the vibration system, the inertial force acting on each flapping wing 2 is cancelled. Each flapping wing 2 can be operated to flapping.

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、以下に述べるようにしたものも含むものである。たとえば、上記実施の形態においては、左右一対の羽ばたき翼2を、1つの翼駆動用モータ6により駆動する構成の駆動機構2について説明したが、各羽ばたき翼2ごとに個別の翼駆動用モータ6を装備して、各羽ばたき翼2を個別の翼駆動用モータ6の回転駆動力により羽ばたき作動させる形式の駆動機構に本発明を適用してもよい。この場合は、(2)式における左辺括弧内の第2項の係数、右辺括弧内の第2項の分子の係数、及び、(5)式における左辺第1項の括弧内の第2項、第3項及び第4項の係数、左辺第2項の括弧内の第2項の係数、左辺第3項の係数を、いずれも1とすることで、上記と同様に各式を導くことができることから、この場合であっても、翼駆動用モータ6を駆動するための入力電圧eに対して、各羽ばたき翼2の羽ばたき角に一致するギア5の回転角度θの位相が−90度進みとなるように制御することで、共振周波数からのずれを自動的に解消できるようになる。 In addition, this invention is not limited only to the said embodiment, The thing as described below is also included. For example, in the above-described embodiment, the drive mechanism 2 configured to drive the pair of left and right flapping wings 2 with one wing driving motor 6 has been described. However, the individual wing driving motor 6 for each flapping wing 2 is described. The present invention may be applied to a drive mechanism of a type in which each flapping blade 2 is fluttered by the rotational driving force of an individual blade driving motor 6. In this case, the coefficient of the second term in the left parenthesis in the equation (2), the coefficient of the numerator in the second term in the right parenthesis, and the second term in the parenthesis of the first term on the left side in the equation (5), By setting the coefficients of the third and fourth terms, the coefficient of the second term in the parenthesis of the second term on the left side, and the coefficient of the third term on the left side to 1, each equation can be derived in the same manner as above. because it can, even in this case, the input voltage e m for driving the blade drive motor 6, the rotation angle theta 1 of the phase of the gear 5 that matches the flapping angle of the flapping wings 2 -90 By controlling so as to be advanced, the deviation from the resonance frequency can be automatically eliminated.

前記した羽ばたき型小型飛行装置の構造的な各種パラメータや、翼駆動用モータ6の電気的な各種パラメータは、具体例として挙げたものであって、それぞれ示した数値に限定されるものではない。   Various structural parameters of the above-described flapping type small flying device and various electrical parameters of the wing drive motor 6 are given as specific examples, and are not limited to the numerical values shown.

各羽ばたき翼2の駆動機構1を、アクチュエータとしての翼駆動用モータ6を備えてなる形式のものとして示したが、出力軸を軸心方向に振動できるようにしてなる線形アクチュエータの上記出力軸に取り付けたラックと、各羽ばたき翼2の支軸4に取り付けたピニオンを噛合させてなる構成として、出力軸の振幅に応じた羽ばたき角で上記羽ばたき翼2を羽ばたき作動させることができるようにしてあれば、線形アクチュエータを用いてなる形式の羽ばたき翼2の駆動機構にも適用できる。   The drive mechanism 1 of each flapping wing 2 is shown as a type having a blade driving motor 6 as an actuator, but the output shaft of the linear actuator configured to be able to vibrate the output shaft in the axial direction. As a configuration in which the mounted rack and the pinion attached to the support shaft 4 of each flapping wing 2 are engaged with each other, the flapping wing 2 can be fluttered at a flapping angle corresponding to the amplitude of the output shaft. For example, the present invention can also be applied to a drive mechanism of a flapping wing 2 of a type using a linear actuator.

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。   Of course, various changes can be made without departing from the scope of the present invention.

以下、本発明者が実施した数値シミュレーション結果について説明する。   Hereinafter, numerical simulation results performed by the present inventor will be described.

(1)
図1に示したと同様の構成におけるローパスフィルタ(LPF)12を、図6にブロック図を示す如き2セクション4次バターワースフィルタとし、このLPF12の伝達関数が、

Figure 2008001269
により与えられるものとする。下記の表1と表2に、以下の計算で使用される上記LPF12の2セクション4次のバターワースフィルタとしての設計仕様と、フィルタ係数をそれぞれ示す。
Figure 2008001269
Figure 2008001269
このLPF12を2段直列で用いて図6に示した羽ばたき翼の駆動機構の制御方法の数値シミュレーションを行った。スタート時の周波数f(0)を9.93Hzとした場合の周波数fの径時的な変化と、パワーp(t)の径時的な変化についての結果を図7(イ)と(ロ)にそれぞれ示す。なお、上記パワーp(t)の変化は、羽ばたき翼2の1回の羽ばたき動作ごとに周期的に生じているものであるため、図7(ロ)では、上記パワーp(t)の変化を上下の包絡線で示してある。
制御に使ったルールは、
Figure 2008001269
である。ここで、t+1はネクストタイムステップを示す。その他の羽ばたき型小型飛行装置における構造的な各種パラメータ、及び、翼駆動用モータ6の電気的な各種パラメータは前述したと同様の値とする。
図7(イ)に示す結果より明らかなように、スタート時の周波数が、共振周波数より低くても、周波数fは、時間の経過とともに一定の共振周波数(10.13Hz)の値に収束することが判明した。又、図7(ロ)に示す結果より明らかなように、上記周波数fの収束に伴って、羽ばたき翼2の駆動に要するパワーの低下が実現されていることが判明した。 (1)
The low-pass filter (LPF) 12 having the same configuration as shown in FIG. 1 is a two-section fourth-order Butterworth filter as shown in the block diagram of FIG.
Figure 2008001269
Shall be given by Tables 1 and 2 below show design specifications and filter coefficients of the LPF 12 as a 2-section 4th-order Butterworth filter used in the following calculations.
Figure 2008001269
Figure 2008001269
A numerical simulation of the control method of the flapping wing drive mechanism shown in FIG. FIG. 7A and FIG. 7B show the results of the time variation of the frequency f and the time variation of the power p m (t) when the frequency f (0) at the start is 9.93 Hz. ) Respectively. In addition, since the change of the power p m (t) is periodically generated for each flapping operation of the flapping wing 2, in FIG. 7 (b), the power p m (t) is changed. The change is shown by the upper and lower envelopes.
The rules used for control are
Figure 2008001269
It is. Here, t + 1 indicates the next time step. Other structural parameters in the flapping type small flight apparatus and various electrical parameters of the wing drive motor 6 are set to the same values as described above.
As is clear from the results shown in FIG. 7 (a), even when the starting frequency is lower than the resonance frequency, the frequency f converges to a constant resonance frequency (10.13 Hz) value as time elapses. There was found. Further, as apparent from the result shown in FIG. 7B, it has been found that the power required for driving the flapping wing 2 is reduced as the frequency f converges.

(2)
上記と同様の数値シミュレーションを、スタート時の周波数f(0)を10.33Hzとした場合について実施した。周波数fの径時的な変化の結果を図8に示す。
図8の結果より明らかなように、スタート時の周波数が、共振周波数より高い場合にも、周波数fは、時間の経過とともに一定の共振周波数(10.13Hz)に収束することが判明した。
(2)
A numerical simulation similar to the above was performed for the case where the starting frequency f (0) was 10.33 Hz. FIG. 8 shows the result of the temporal change in the frequency f.
As is clear from the results of FIG. 8, it was found that the frequency f converges to a constant resonance frequency (10.13 Hz) with the passage of time even when the start frequency is higher than the resonance frequency.

以上、(1)と(2)の結果から、スタート時の周波数が共振周波数からずれていても、周波数fを自動的に共振周波数に一致させるようにすることができることから、本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置が有効に作用することが確認された。   As described above, from the results of (1) and (2), the frequency f can be automatically matched with the resonance frequency even when the start frequency deviates from the resonance frequency. It has been confirmed that the method and apparatus for controlling the drive mechanism work effectively.

本発明の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法及び装置の実施の一形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one Embodiment of the control method and apparatus of the drive mechanism of the flapping wing of this invention. 図1の制御方法を適用する羽ばたき型小型飛行装置の概要を示す正面図である。It is a front view which shows the outline | summary of the flapping type small flight apparatus which applies the control method of FIG. 図2の小型飛行装置に用いる翼駆動用モータを示す概要図である。It is a schematic diagram which shows the motor for wing drive used for the small flight apparatus of FIG. 図2の小型飛行装置における翼駆動用モータに取り付けてある駆動ギアと、羽ばたき翼の支軸に取り付けてあるギアとの力学系を取り出して示した図である。It is the figure which took out and showed the dynamic system of the drive gear attached to the wing drive motor in the small flight apparatus of FIG. 2, and the gear attached to the spindle of the flapping wing. (15)式と、(10)式、(11)式、(13)式の具体的な数値計算の結果を示すもので、(イ)は電圧に対するギアの回転角度の応答関数の絶対値、(ロ)は該応答関数の偏角、(ハ)は電圧に対する電流の応答関数の絶対値、(ニ)は該応答関数の偏角、(ホ)は規格化されたパワーの平均、(ヘ)は規格化されたパワーの振幅、(ト)は上記パワーの位相を、それぞれ周波数変化に対して示す図である。(15) shows the result of the specific numerical calculation of the equation (10), the equation (11), the equation (11), and the equation (13). (A) is the absolute value of the response function of the rotation angle of the gear with respect to the voltage. (B) is the declination of the response function, (c) is the absolute value of the current response function with respect to voltage, (d) is the declination of the response function, (e) is the average of the normalized power, (he ) Is a diagram showing normalized power amplitude, and (G) is a diagram showing the power phase with respect to frequency change. 本発明者の行った数値シミュレーションで用いたローパスフィルタを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the low pass filter used by the numerical simulation which this inventor performed. 本発明の有効性を検証するために行った数値シミュレーションの結果を示すもので、(イ)は周波数の径時的な変化を、(ロ)は羽ばたき翼の羽ばたき作動に要するパワーの径時的な変化をそれぞれ示す図である。FIG. 5 shows the results of numerical simulation performed to verify the effectiveness of the present invention. (A) shows the change in frequency over time, and (B) shows the power over time for flapping operation of the flapping wing. It is a figure which shows each change. は本発明の有効性を検証するために別の条件で行った数値シミュレーションの結果を示す図である。These are figures which show the result of the numerical simulation performed on another condition in order to verify the effectiveness of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 駆動機構
2 羽ばたき翼
3 胴体
6 翼駆動用モータ(アクチュエータ)
6a 出力軸
10 アンプ
11 乗算器
12 ローパスフィルタ
14 電圧制御発振器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Drive mechanism 2 Flapping wing 3 Fuselage 6 Wing drive motor (actuator)
6a Output shaft 10 Amplifier 11 Multiplier 12 Low pass filter 14 Voltage controlled oscillator

Claims (3)

小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧に対して、上記羽ばたき翼の羽ばたき角の位相が−90度進みとなるように、上記アクチュエータへ入力させる電圧の周波数を制御するようにすることを特徴とする羽ばたき翼の駆動機構の制御方法。   The base end side of the flapping wings arranged on both the left and right sides of the fuselage of the small flying device is connected to the output shaft of the actuator, and the above-mentioned operation is performed by the reciprocating drive in the rotational direction or linear direction of the output shaft of the actuator while applying the restoring force. To the actuator, the phase of the flapping angle of the flapping wing is advanced by -90 degrees with respect to the voltage input to the actuator in the flapping wing drive mechanism that is capable of flapping the flapping wing. A method for controlling a driving mechanism of a flapping wing, wherein the frequency of an input voltage is controlled. アクチュエータへ入力させる電圧の周波数の制御を、上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積の値を、所要のローパスフィルタにて処理し、更に、電圧制御発振器により、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるようにするための所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせ、アンプより上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧となるように電力供給を行うことで行わせるようにする請求項1記載の羽ばたき翼の駆動機構の制御方法。   Control of the frequency of the voltage input to the actuator is performed by processing the value of the product of the voltage input to the actuator and the flapping angle of the flapping wing with a required low-pass filter. The frequency corresponding to the frequency oscillated from the voltage controlled oscillator is made from the amplifier to the actuator by causing the frequency to be oscillated according to the required voltage so that the value obtained after processing by the filter becomes zero. The method of controlling a flapping wing drive mechanism according to claim 1, wherein power supply is performed so that the voltage becomes the following voltage. 小型飛行装置の胴体の左右両側に配した羽ばたき翼の基端側を、アクチュエータの出力軸に連結して、復元力を作用させながら上記アクチュエータの出力軸の回転方向又は直線方向の往復駆動によって上記羽ばたき翼を羽ばたき作動させることができるようにしてある羽ばたき翼の駆動機構における上記アクチュエータへ入力させる電圧と、上記羽ばたき翼の羽ばたき角との積を算出する乗算器と、該乗算器の算出値を処理する所要のローパスフィルタと、上記ローパスフィルタにて処理した後に得られる値がゼロとなるように所要の電圧に応じた周波数の発振を行わせるための電圧制御発振器と、上記アクチュエータへ、上記電圧制御発振器より発振される周波数に応じた周波数の電圧の電力供給を行うことができるようにしてあるアンプとを備えた構成を有することを特徴とする羽ばたき翼の駆動機構の制御装置。   The base end side of the flapping wings arranged on both the left and right sides of the fuselage of the small flying device is connected to the output shaft of the actuator, and the above-mentioned operation is performed by the reciprocating drive in the rotational direction or linear direction of the output shaft of the actuator while applying the restoring force. A multiplier for calculating a product of a voltage input to the actuator in the driving mechanism of the flapping wing that is capable of flapping the flapping wing and a flapping angle of the flapping wing, and a calculated value of the multiplier A required low-pass filter to be processed, a voltage-controlled oscillator for causing oscillation at a frequency corresponding to a required voltage so that a value obtained after processing by the low-pass filter becomes zero, and the voltage to the actuator An amplifier capable of supplying a voltage having a frequency corresponding to a frequency oscillated from a controlled oscillator. Control device for flapping wing drive mechanism, characterized in that it has a configuration in which the.
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