JP2008001269A - Control device and method for drive mechanism of flapping wing - Google Patents
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Abstract
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107〜108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104〜105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.
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
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
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
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
電流im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Φmとすると、k´mを定数として、k´mΦmimである。又、回転数nmのときの逆起電力は、kmを定数として、kmΦmnmである。
Rotational torque of the
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em、内部抵抗をrm、モータ6の回転慣性をJm、負荷トルクをqmとすると、下記の方程式が得られる。
The terminal voltage of the
すなわち、力学的関係は、
上記(A2)式を電流imについて解くと、
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
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dmとし、上記一方の羽ばたき翼2側のギア5の直径をd1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qmとすると、上記直径dmの駆動ギア7から上記直径d1のギア5には、(d1/dm)・qm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nm(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q1とし、ギア5の回転慣性をJ1とし、該ギア5の回転量(回転角度)をθ1とすると、該ギア5の運動方程式は、
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、
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
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nm、入力電圧をem、負荷トルクをqm、回転慣性をJm、磁束をΦm、内部抵抗をrmとし、逆起電力に関連する定数をkm、発生トルクに関連する定数をk´mとすると、前述の(A4)式より
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J1、羽ばたき翼2の1枚当りの負荷トルクをq1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ρG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
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lG、羽ばたき翼2の1枚当りの質量をm1、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lF、空気力によって作用する付加質量をmF、ダンピング係数をnF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k1として、羽ばたき翼2の1枚当りの負荷トルクq1を、
そこで、
次に、上記翼駆動用モータ6へ投入されるパワーは、
共振周波数f0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、
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´mΦmは、
k´mΦm=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、kmΦmは、
kmΦm=(12−0.012×17)/(18000/60)=0.0393Vs
となる。
The
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:lG=0.05m
羽ばたき翼2の1枚当りの質量:m1=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:lF=0.075m
上記空気力による負荷質量:mF=0.02kg
上記空気力によるダンピング係数:nF=0.01kg/s
羽ばたき翼2に作用させる復元力:k1=1.0Nm/rad
翼駆動用モータ6の回転慣性:Jm=0.000001kgm2
駆動ギア7とギア5間における減速比:ρG=0.0625
なお、ギア5の回転慣性J1は無視できるものとして、J1=0とした。
Distance from the center of the
Mass per flapping wing 2: m 1 = 0.0025 kg
Distance from the center of the
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
The rotational inertia J 1 of the
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f0を求めると、10.131Hzとなる。よって周期T0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em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emに対する電流im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[emim]/|Em 2|、図5(ヘ)に示す如き規格化されたパワーの振幅:Amp[emim]/|Em 2|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
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:emim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:θ1(t)と、電圧em(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θ1(t)と電圧em(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
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、dθ1(t)/dtとem(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em(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:θ1(t)を、
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θ1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em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θ1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em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θ1とem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θ1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em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
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mFや、ダンピング係数nF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em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em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θ1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
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
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em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θ1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
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
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
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、
制御に使ったルールは、
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.
The rules used for control are
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
(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.
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
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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