Báo cáo tổng kết đề tài - Nghiên cứu cải thiện khả năng tạo lực nâng của phương tiện bay kích cỡ nano, loại cánh đập

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) Danh sách các thành viên tham gia nghiên cứu đề tài L.A. Doan received the B.S. degree in mechatronic engineering from Danang University of Technology, Danang, Vietnam, in 2008 and the M.S. degree in mechanical engineering from National Kaohsiung University of Applied Sciences, Kaohsiung, Taiwan, in 2012. He received the Ph.D. degree in micro and nanotechnologies, acoustics and telecommunications at Polytechnic University of Hauts-de-France, Valenciennes, France. From 2012 to 2014, he was a lecturer at the University of Technology and Education - The University of Danang, Danang, Vietnam. His research interest includes the mobiles robots, micro and nano air vehicles. S. Grondel (IEMN) received the M.S. and Ph.D. degrees in electronical and acoustical Engineering from Valenciennes University, France, in 1997 and 2000, respectively. Between 2001 and 2010, he worked as a research Associate at the Electronic, Microelectronic and Nanoelectronic department of Valenciennes University, focusing on health monitoring of aeronautic structures using elastic guided waves and multi-array piezoelectric transducers. Since 2011, he is a Professor in the same department and teacher at the engineering school ENSIAME. His current research activities include modeling and control of macro- and micro- mechatronic systems through the use of the Bond Graph methodology. He contributes on the design and development of a nano flying insect called ``OVMI'' as well as on new ionic polymers actuators. He has authored more than 70 published journal and conference papers related to smart material, ultrasonic and mechatronic. He is an elected member of the national Research evaluation in Electronics field (CNU 63) and belongs to the Editorial Board of the Horizon Research Publishing Coorporation. He is also a fellow member of the French Acoustical(SFA) and Electronic Electrotechnic and Automatic (EEA) Societies. E Cattan, 55 years (eric.cattan@uphf.fr). In 1993, he obtained a PhD in optics and photonics at the University of Paris Sud (Orsay), and in 1994, he became a University lecturer in section 28 and was assigned to the laboratory of Advanced Ceramic Materials (UPHF). He has published one hundred and fifty papers in the field of piezoelectric thin film, micro-transducers and NAV. After obtaining an accreditation to supervise research in 2001, he was appointed University Professor in 2002 at the University of Polytechnic Hauts de France Since 2002, he has been conducting research at the Institute of Electronics, Microelectronics and Nanotechnology, and since September 2005, his research has focused on bio-inspired microsystems. Before that, his research activities concerned the growth and characterization of ferroelectric piezoelectric thin films, as well as their integration in microsystems. In 2011, he took over the management of a research group made up of thirteen professors and university lecturers. He is leader of the OVMI project (Object Volant Mimant l'Insecte), which was awarded with a golden micron in Besançon in 2014. Mục lục: Danh mục hình vẽ: Hình 1. 1 Cánh cố định loại cứng và mềm dẻo, (a) Black Widow trong suốt chế tạo bởi AeroVironment [12], (b) cánh mềm dẻo phát triển bởi University of Florida [13]. 2 Hình 1. 2: Các cấu hình của phương tiện bay loại cánh xoay: a) conventional, b) ducted coaxial, c) conventional coaxial, d) side-by-side rotors, e) synchropter, f) conventional tandem, g) quadrotor [20], [21]. 2 Hình 1. 3: Ví dụ MAV và NAV loại cánh xoay, (a) the Black Hornet, (b) Crazyflie, (c) Mesicopter, (d) Picoflyer. 2 Hình 1. 4:Khoảng hệ số Reynolds cho các sinh vật cũng như phương tiện bay, hình được tích hợp từ tài liệu tham khảo [26]. 2 Hình 1. 5: Mối quan hệ giữa trọng lượng và thời gian bay của các MAV hiện có (số liệu năm 2014). Tên của các phương tiện có cánh cố định, quay và cánh đập có màu lần lượt là tím, xanh lam và đỏ. Chỉ các kích thước chính tương ứng với từng loại cánh được hiển thị để chỉ ra kích phương tiện. Ví dụ: sải cánh mô tả kích thước của các MAV có cánh đập và cánh cố định, trong khi kích thước 3D của đường kính quadrotor và rotor được sử dụng cho các phương tiện cánh quay khác 2 Hình 1. 6: Xếp chồng nhiều khung ảnh để hiển thị các thao tác hạ cánh linh hoạt của ong mật [30]. 2 Hình 1. 7: Chuỗi video sử dụng lăng kính cho thấy cách ruồi nhảy thoát khỏi nguy hiểm. Các chấm trắng trên hình ảnh đánh dấu các điểm trên đầu và bụng được dùng để xác định khối tâm của ruồi (vòng tròn đen trắng) tại ba thời điểm: bắt đầu kích thích (t0), ngay trước khi nhảy (tpre), và thời điểm cất cánh (tjump). Dấu chấm màu đỏ đánh dấu điểm tiếp xúc của phần đoạn cuối cùng của chân côn trùng với bề mặt tại t0 [31]. 2 Hình 1. 8: Động học cánh vỗ cơ bản: Đường đi của cánh được mô tả bởi quỹ đạo của dây cung cánh; b) Ảnh chụp nhanh của hợp dây cung cánh này trong hành trình cánh lên và xuống thể hiện chuyển động tịnh tiến và đảo chiều hành trình của nó tại cuối các hành trình; [34] [10] 2 Hình 1. 9: a) bird flight apparatus [37], insects and their flight apparatus: b) direct and c) indirect muscles [38] [40]. 2 Hình 1. 10: Thiết bị tăng lực nâng của máy bay lấy cảm hứng từ các sinh vật bay, [44], [45]. 2 Hình 1. 11: Cơ cấu tạo luồng xoáy sử dụng trên máy bay (trái) lấy cảm hứng từ thiên nhiên, a) Protruding digit on a bat wing, b) Serrated leading-edge feather of an owl, c) Corrugated dragonfly wing, adapted from [44], [45]. 2 Hình 1. 12: Hình chiếu cạnh của chuyển động đập cánh minh họa đường đi của đầu cánh (vòng to) và cổ tay (vòng tròn mở) thích ứng với các tốc độ bay ổn định khác nhau [46]. 2 Hình 1. 13: Quỹ đạo đầu đầu cánh so với phần thân - được biểu diễn bằng mũi tên - cho nhiều loại sinh vật bay khác nhau. a) chim hải âu, bay nhanh; b) chim bồ câu, bay chậm; c) dơi móng ngựa, bay nhanh; d) dơi móng ngựa, bay chậm; e) đom đóm; f) châu chấu; g) Bọ tháng sáu; h) ruồi giấm [47]. 2 Hình 1. 14: Cấu trúc dòng chảy cho a) bay tới đập cánh chậm và b) nhanh [46]. 2 Hình 1. 15: Cấu trúc xoáy ba chiều trong dòng chảy trong chu kỳ hành trình của chim ruồi ruby, trong đó dấu thời gian từ (a) đến (d) là 0,37, 0,51, 0,58 và 0,78T (T là chu kỳ hành trình). Các đường đứt nét đánh dấu vòng xoáy từ kỳ hạ cánh xuống. Mũi tên dày trong (d) cho biết vị trí mà LEV bị chụm lại [50]. 2 Hình 2. 1: Các thiết kế đuôi khác nhau: a) đuôi máy bay cơ bản [70], b) DelFly I đuôi chữ V, và c) DelFly II đuôi chữ V ngược [28] 2 Hình 2. 2: MAV buồm: a) Mentor [2007]; b) Richter and Lipson [2011]; c) Robot sứa [2014]. 2 Hình 2. 3: Các cấu hình cánh khác nhau: (I) cánh cơ bản, Robo Raven; (II) BionicOpter Dragonfly; cánh không tiêu chuẩn DelFly II với cơ cấu tạo hiệu ứng “clap and fling” (IIIa), Delfly Micro với cơ cấu tạo hai hiệu ứng “clap-and-fling” (IIIb), và Mentor nhiều cơ cấu tạo hiệu ứng như vậy [28]. 2 Hình 2. 4: Các thông số chuyển động của cánh theo chu kỳ: a) biên độ hành trình, tần số nhịp đập của cánh đối xứng hoặc không đối xứng và góc lệch hành trình của cánh, b) góc nghiêng mặt phẳng hành trình, c) và d) góc tấn giữa hành trình xuống và hành trình lên. 2 Hình 2. 5: Điều chế tần số chu kỳ không đổi theo chu kỳ, các chiến lược điều khiển khi vỗ MAV: a) Dịch dọc, b) Dịch ngang, c) Chuyển động yaw và d) Chuyển động roll từ Doman và Oppenheimer [2014]. 2 Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa a) chiều dài cánh và tổng khối lượng, b) chiều dài cánh và tốc độ vỗ cánh, chỉnh sửa từ [81] 2 Hình 3. 1: Nguyên mẫu OVMI với khối lượng 22 mg và sải cánh 22 mm. 2 Hình 3. 2: a) sơ đồ của một cánh mềm dẻo với hai bậc tự do, b) chế độ uốn mô phỏng, c) chế độ xoắn mô phỏng. 2 Hình 3. 3: Word Bond Graph của OVMI 2 Hình 3. 4: Mô hình Bond Graph của bộ tạo sóng 2 Hình 3. 5: Biểu diễn cơ cấu chấp hành điện từ, a) thông qua sơ đồ mạch điện tương đương b) thông qua ngôn ngữ Bond Graph. 2 Hình 3. 6: Biểu diễn Bond Graph cho giá trị trung bình của từ trường. 2 Hình 3. 7: Sơ đồ của “Cánh”, màu sắc được dùng để phân biệt các thanh liền kề. 2 Hình 3. 8: Biểu diễn Bond Graph cho cánh 2 Hình 3. 9: Ảnh chụp một mẫu thử nghiệm được đặt trong một buồng chân không được sử dụng để xác định ảnh hưởng của áp suất xung quanh lên hành vi động của nguyên mẫu. 2 Hình 3. 10: Sự thay đổi của hệ số chất lượng theo áp suất. 2 Hình 3. 11: Mô phỏng Bond Graph biên độ và đáp ứng tần số của nguyên mẫu. a) biên độ của đầu tự do của tia 2 (1) và các thành phần tương ứng của nó bao gồm chuyển động uốn (2) và xoắn (3); b) giai đoạn uốn (2) và xoắn (3) và sự khác biệt của chúng (4) 2 Hình 3. 12: Chế độ uốn (f = 132.5 Hz), chế độ xoắn (f = 151.4 Hz). 2 Hình 3. 13: Chế độ quadrature 1 (f = 135.5 Hz), chế độ quadrature 2 (f = 148.0 Hz). 2 Hình 3. 14: Thí nghiệm độ biến dạng tại tần số cộng hưởng: (a) chế độ uốn; (b) chế độ xoắn. (c) FRF của nguyên mẫu được lấy tại nam châm và đầu mút của cạnh dẫn cánh bên trái, tại khoảng tần số khảo sát. (d) Đường cong đa thức xấp xỉ [10]. 2 Hình 3. 15: Một số khung hình được chụp bằng camera tốc độ cao ở tần số chế độ quadrature thứ hai (190,8 Hz). Đường đứt nét màu xanh lam: vị trí dây cung cánh ban đầu; Đường đứt nét màu cam: vị trí dây cung cánh hiện tại. Đảo cánh xảy ra xung quanh khung 4 [10]. 2 Hình 3. 16 Sơ đồ mạch phát triển cho phương tiện bay MAV 2 Hình 3. 17: Layout phát triển cho phương tiện bay MAV 2 Hình 3. 18: Sơ đồ quy trình quang khắc được sử dụng để sản xuất cấu trúc OVMI (liên kết, khung của cánh và lồng ngực) [93]. 2 Danh mục bảng biểu: Bảng 2. 1: Phân loại các loại cơ cấu chấp hành [57] [59] 2 Bảng 3. 1: Thông số của cánh 2 Danh sách chữ viết tắt MAV: phương tiện bay theo tiêu chuẩn kích cỡ micro NAV: phương tiện bay theo tiêu chuẩn kích cỡ nano UAVs: phương tiện bay không người lái ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: nghiên cứu cải thiện khả năng tạo lực nâng của phương tiện bay kích cỡ nano, loại cánh đập - Mã số: T2019-06-116 - Chủ nhiệm: TS. Đoàn Lê Anh - Thành viên tham gia: - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 12 tháng 2. Mục tiêu: Trong những thập kỉ gần đây, viễn cảnh có được những khả năng bay đặc biệt của các loại chim nhỏ hay côn trùng đã thúc đẩy rất nhiều những nghiên cứu về vật thể bay loại cánh đập (flapping wings). Tuy nhiên, khi thiết kế một nguyên mẫu như vậy, các nhà thiết kế phải trải qua một loạt các giải pháp thiết kế phản ánh sự đa dạng của côn trùng để xác định sự kết hợp chính xác của các tham số mà có thể đáp ứng yêu cầu của họ. Để giảm bớt gánh nặng này, mục đích của bài báo là xây dựng một công cụ phù hợp để phân tích động học của phương tiện qua đó có thể tối ưu hóa lực nâng (lift) trên cánh. Nghiên cứu này được thực hiện trên một vật thể bay loại cánh đập có bộ khung mềm dẻo (flexible skeleton) và có kích thước theo tiêu chuẩn nano (Flapping wing Nano aerial vehicles-FWNAV). Dựa trên tính chất mềm dẻo của phương tiện, nguyên mẫu được nghiên cứu để kết hợp hai chế độ rung cộng hưởng - uốn và xoắn - để tái tạo quỹ đạo cánh côn trùng. Mô hình đề xuất sử dụng Bond Graph, một ngôn ngữ giao diện người dùng đồ họa vì nó rất phù hợp để mô phỏng một hệ đa vật lý như trong trường hợp này. 3. Tính mới và sáng tạo: Bản thân mô hình là điểm sáng tạo vì nó là một mô hình tham số phân tán và dựa trên một cấu trúc micro mềm dẻo. 4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu: Trong nghiên cứu này này, chúng ta đã xây dựng thành công một mô hình Bond Graph dành cho một FWNAV. Mô hình được trình bày mang tính mới bởi vì được xây dựng cho một vật thể bay kích cỡ rất nhỏ lại còn là loại có khung xương mềm dẻo. Từ mô hình này bốn chế độ hoạt động đã được tìm thấy. Thông qua phân tích, hai trong số chúng kh thích hợp cho việc tạo lực nâng, hai chế độ còn lại thì thành công trong việc tái tạo quỹ đạo cánh côn trùng qua đó có thể thấy được khả năng cải tạo lực nâng của chúng. 5. Tên sản phẩm: Hai bài báo khoa học đăng trên tạp chí uy tín và một phần mềm mô phỏng trên máy tính. Stt Tên sản phẩm Thông tin sản phẩm Năm công bố Chú thích 1 Kinematic analysis of a resonant flexible-wing nano air vehicle using a Bond Graph approach Tuyển tập hội nghị quốc tế ICERA 2019 thuộc nhóm Scopus – Lecture Notes in Networks and Systems (Tr.455-461), ISSN: 2367-3370, Volume 104, Năm 2019. 2019 Scopus 2 Tối ưu hóa lực nâng của vật thể bay khung mềm dẻo có kích thước theo tiêu chuẩn nano dựa trên phân tích cộng hưởng uốn và xoắn Kỷ yếu hội nghị toàn quốc về Cơ khí và Chế tạo năm 2019 (Tr.88-93), ISBN: 978-604-73-7275-1 năm 2020. 2019 Hội nghị Quốc gia 3 Phần mềm mô phỏng máy tính Phần mềm cho phép dự đoán quỹ đạo chuyển động cánh và lực nâng được tạo ra 2019 Sử dụng trên nền phần mềm 20SIM 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Làm nền tảng cho những nghiên cứu tiếp sau. 7. Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính Thông tin cụ thể có thể được tìm thấy trong tài liệu đính kèm Ngày tháng năm Hội đồng KH&ĐT đơn vị (ký, họ và tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Optimize lift of a flexible nano air vehicle based on analysing of bending and twisting resonances Code number: T2019-06-116 Coordinator: Dr. Đoàn Lê Anh Implementing institution: University of Technology and Education – University of Danang Duration: from 08/2019 to 08/2020 2. Objective(s): In recent decades, the prospect of exploiting the exceptional flying capacities of insects has prompted much research on the elaboration of flapping-wing nano air vehicles (FWNAV). However, when designing such a prototype, designers have to wade through a vast array of design solutions that reflects the wide variety of flying insects to identify the correct combination of parameters to meet their requirements. To alleviate this burden, the purpose of this paper is to develop a suitable tool to analyze the kinematic of a resonant flexible-wing nano air vehicle. The proposed tool uses a Bond Graph formalism because it is well suited to simulating multi-physical systems. Moreover, the prototype studied combines two resonant vibration modes – bending and twisting – to reproduce insect wing kinematics. This could be considered as the key to optimize the generated lift. Creativeness and innovativeness: The model itself is original as it is a distributed-parameter model and is based on a flexible micro-structure. 5. Research results: In this study, we have successfully built a Bond Graph model for a FWNAV. The model presented is novel because it is built for a very small flying object but also has a flexible skeleton. From this model four operating modes were found. Through analysis, two of them are not suitable for lift generation, the other two are successful in reproducing the insect wing trajectories through which their ability to lift can be seen. 6. Products: Two paper published on prestigious proceeding. One is with Scopus index. A simulation program works with 20SIM software. 7. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: As the foundation for further research. Phần mở đầu Con người luôn bị thu hút bởi thiên nhiên được định nghĩa chung là thực vật, động vật, cảnh quan, và các đặc điểm và sản phẩm khác của trái đất [1]. Đặc biệt, các kỹ năng đặc biệt được sử dụng bởi các loài để thích nghi hoàn hảo với môi trường đã thu hút được rất nhiều sự chú ý. Không có gì đáng ngạc nhiên khi rất nhiều sáng kiến và đổi mới của con người được lấy cảm hứng từ sự đa dạng và hiệu quả đáng kinh ngạc của thiên nhiên. Công việc được trình bày ở đây góp phần vào xu hướng này và đề cập đến máy bay không người lái. Ngành máy bay không người lái ngày càng thu hút được nhiều sự chú ý [2], tên tiếng anh là (UAV), được làm phong phú hơn bởi các ý tưởng lấy cảm hứng từ thiên nhiên để giúp nâng cao hiệu quả. Đối mặt với nhu cầu về các phương tiện bay có khả năng hoạt động trong môi trường kín và hạn chế, các UAV đã trở nên ngày càng nhỏ nhỏ. Hơn nữa, các cơ chế bay đã phát triển từ cánh cố định hoặc cánh quay sang cánh đập và cánh rung tương ứng bắt chước các loài chim và côn trùng nhỏ. Tùy thuộc vào kích thước và trọng lượng của chúng, các UAV thu nhỏ này thường được phân thành hai loại: MAV1 và NAV2. Mặc dù đã đạt được nhiều tiến bộ [3], [4], vẫn có sự chênh lệch đáng kể về hiệu suất giữa MAV và NAV hiện có và các sinh vật trong tự nhiên về khả năng tải trọng, khả năng cơ động và quan trọng nhất là thời gian bay. Có ba lý do chính cho những hạn chế này. Đầu tiên, sao chép chuyển động cánh của những sinh vật bay trong tự nhiên không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Trên thực tế, động học cánh của côn trùng và chim nhỏ rất phức tạp. Bằng cách định thời gian đảo chiều hành trình của cánh một cách độc lập hoặc đồng thời, những sinh vật này có thể kiểm soát hướng của chúng cũng như cải thiện lực nâng và lực đẩy [5]. Thứ hai, được coi là thử thách khó khăn nhất, hệ số Reynolds (Re) thấp dẫn đến khí động học không ổn định ảnh hưởng đến quá trình bay của các phương tiện bay cỡ nhỏ [6], [7]. Cuối cùng, do kích thước nhỏ hơn, cần phải đập cánh nhanh hơn và nhiều năng lượng hơn để duy trì chuyến bay, điều này cũng đòi hỏi mật độ năng lượng cao hơn. Rõ ràng là vẫn còn nhiều chỗ để cải thiện và vì vậy, đối với đề tài này, người ta quyết định phát triển một MAV có kích thước bằng một con chim nhỏ và một NAV có kích thước bằng một con côn trùng. Hai nguyên mẫu được phát triển chủ yếu tại Viện Điện tử, Vi điện tử và Công nghệ nano (IEMN) [8] nơi các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và mạch điện tử có thể được chế tạo bằng các phương tiện có sẵn. MAV bắt chước con chim ruồi [9], đây là loài chim duy nhất có thể bay lượn. Cánh của nó được điều khiển bởi một động cơ dòng điện một chiều (DC) được cung cấp bởi điện áp đối ứng để tạo ra một chuyển động đập. NAV bao gồm một cấu trúc linh hoạt ba chiều được chế tạo bằng công nghệ MEMS kết hợp với bộ truyền động điện từ cho phép toàn bộ phương tiện rung với tần số cao hơn MAV. Mục tiêu của công việc này là phát triển một phương tiện bay Nano-Air-Cánh đập cánh tự động, lấy cảm hứng từ sinh học. Tuy nhiên, mục tiêu cuối cùng của việc giảm kích thước phương tiện và sản xuất NAV là vô cùng khó khăn vì đây là NAV hoàn toàn linh hoạt đầu tiên [10]. Do đó, chúng tôi đã quyết định làm việc với MAV trước để hiểu về chuyến bay, phát triển bảng điện tử và đảm bảo chuyến bay ổn định. Một số kiến thức và kinh nghiệm thu được sau đó có thể được chuyển sang việc phát triển NAV. Báo cáo này được tổ chức như sau: Chương 1 giới thiệu các nghiên cứu trong quá khứ và hiện tại về UAV nhưng tập trung nhiều hơn vào MAV và NAV. Thông qua việc so sánh các khái niệm thiết kế khác nhau, chúng tôi cho thấy rằng thiết kế cánh đập là phù hợp nhất với ứng dụng của chúng tôi. Sau đó, chúng tôi trình bày các nguyên tắc cơ bản của chuyến bay đập cánh, bao gồm động học của cánh và cơ chế khí động học không ổn định. Chúng tôi đề xuất động học cánh cho các phương tiện của chúng tôi gần với chim ruồi và côn trùng và tìm thấy một số cơ chế nâng cao khí động học như hiệu ứng Wagner và hiệu ứng khối lượng được thêm vào. Cuối cùng, việc xem xét các MAV và NAV đập hiện có theo cơ cấu truyền động và cấu trúc của chúng giúp chúng tôi lựa chọn thiết kế của MAV và NAV của mình. Chương 2 quay trở lại NAV loại cánh đập. Đầu tiên, khái niệm nâng cao lực nâng mới do D. Faux và các đồng nghiệp của ông phát triển được giới thiệu [10]. Tiếp theo, cách tiếp cận Bond Graph được điều chỉnh cho phù hợp với khái niệm này và được sử dụng để mô phỏng động lực học của phương tiện NAV, sau đó trong bước tối ưu hóa ta tìm được tần số hoạt động mà tại đó lực nâng đạt được là lớn nhất. Cuối cùng, phần kết luận của báo cáo này đã chỉ ra những đóng góp chính của công trình này và đưa ra một số khuyến nghị cho các hướng nghiên cứu trong tương lai. 1. MAV: Phương tiện bay kích cỡ Micro, do Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) khởi xướng vào những năm 1990, là một loại UAV thu nhỏ với kích thước tối đa là 15 cm và nặng tới 100 g, cũng như phạm vi hoạt động 10 km và tự trị trong khoảng từ 20 đến 60 phút. 2. NAV: Các phương tiện bay kích cỡ Nano (NAV), chương trình do Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) khởi xướng vào năm 2005, là một loại UAV thu nhỏ với kích thước tối đa 7,5 cm và tổng trọng lượng cất cánh dưới 10 g. : Tổng quan tình hình nghiên cứu Giới thiệu Máy bay không người lái, tên tiếng anh là unmanned aerial vehicles (UAVs), là một phương tiện bay mà không có người ngồi trên máy bay. So với máy bay có người lái, UAV ban đầu được triển khai cho các nhiệm vụ quá "buồn tẻ, bẩn thỉu hoặc nguy hiểm" [11] đối với con người. Phương tiện hàng không kích cỡ Micro (MAV), do Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng (DARPA) bắt đầu vào năm 1990, là một loại UAV được thu nhỏ bị giới hạn về kích thước, có kích thước tối đa là 15 cm và trọng lượng lên đến 100 gram. Trước đây chỉ giới hạn cho những người yêu thích mô hình và đồ chơi trong tay trẻ em, MAV đã sớm nhận được sự quan tâm của cả quân đội và dân sự vì chúng dễ dàng di chuyển, kín đáo hơn và ít nguy hiểm hơn trong trường hợp va chạm. Kết quả là, một lượng lớn MAV bay dựa trên các khái niệm cánh cố định, quay và đập đã có mặt ở nhiều lĩnh vực. Với sự hạn chế về kích thước này, nghiên cứu phải đối mặt với nhiều vấn đề. Được coi là thử thách khó khăn nhất, hệ số Reynolds thấp (Re) dẫn đến khí động học không ổn định ảnh hưởng đến quá trình bay của các phương tiện bay cỡ nhỏ [6]. Ngoài ra, do kích thước nhỏ hơn, mật độ năng lượng cao hơn được yêu cầu. Do đó, mặc dù đã đạt được nhiều tiến bộ [3], [4], vẫn còn rất nhiều dư địa để cải thiện về khả năng tải trọng, khả năng cơ động và quan trọng nhất là độ bền của chuyến bay. Đối với công việc này, chúng tôi sẽ nghiên cứu trước đây và hiện tại về UAV để có thể xác định được thiết kế của MAV cỡ chim nhỏ có thể hoạt động trong môi trường kín, hạn chế. Lựa chọn dạng cánh Các MAV hiện tại có thể được chia thành ba loại chính dựa trên cách chúng tạo ra lực nâng: cánh cố định, cánh quay và cánh đập và được mô tả trong các đoạn sau. Cánh cố định UAV cánh cố định tương tự như máy bay. Do tỷ lệ giữa lực đẩy và lực nâng không đổi, việc điều khiển bay tương đối đơn giản và khung toán học đã được phát triển hoàn thiện, UAV cánh cố định được trình bày đầu tiên. MAV cánh cố định thích hợp cho các ứng dụng ngoài trời, nơi ưu tiên thời gian bay tối đa. Một hoặc một số cánh quạt thường tạo ra lực đẩy về phía trước. MAV thường yêu cầu một bộ vi điều khiển tích hợp để tăng độ ổn định. Hình 1. 1 Cánh cố định loại cứng và mềm dẻo, (a) Black Widow trong suốt chế tạo bởi AeroVironment [12], (b) cánh mềm dẻo phát triển bởi University of Florida [13]. Một số nguyên mẫu tồn tại nhưng không có nguyên mẫu nào thuộc phạm vi NAV. Các phương tiện hiện có có sải cánh lớn hơn 7,5 cm và do đó được coi là MAV. Một ví dụ nổi tiếng là AeroVironment Black Widow với sải cánh 15,2 cm [12], được phát triển như một phần của chương trình DARPA’s MAV (xem Hình Hình 1. 1.a). Nó nặng khoảng 80 g tổng cộng, một nửa trong trọng lượng đó là pin. Được phát triển trong 4 năm, Black Widow có thời gian hoạt động trong 30 phút và có thể bay không ngừng trong 17 km với tốc độ từ 38 đến 53 km / h. Cuối cùng, nó cũng có một camera màu trên bo mạch và một bộ truyền video để truyền tải các video trực tiếp đến phi công. Một vấn đề quan trọng cánh cố định xảy ra khi tăng góc tấn tới hạn. Ở góc này, lực nâng cực đại đạt được và không khí chạy trên cánh quạt bắt đầu tách khỏi bề mặt phía trên. Tuy nhiên, nếu góc tấn tiếp tục tăng hơn nữa, dòng chảy trở nên tách biệt hoàn toàn khỏi bề mặt phía trên và do đó, cánh tạo ra sự sụt giảm về lực nâng. Người ta cũng đã chứng minh rằng các cánh mềm dẻo phù hợp với MAV [14] vì chúng có thể biến đổi hình dạng để phản ứng với môi trường, và góc tới hạn có thể tăng lên nhờ khả năng điều khiển thụ động này [15]. Tài liệu tham khảo [13], [16]–[19] giới thiệu một số UAVs với cánh linh hoạt có thể thích ứng trong quá trình bay để nâng cao hệ số lực kéo bằng cách đẩy điểm dừng lên góc tấn cao hơn. Các nghiên cứu cũng cung cấp các mô phỏng số Động lực học chất lỏng tính toán (CFD) bằng cách sử dụng các bộ giải dòng chảy như Navier Stokes để cung cấp cái nhìn sâu sắc về các tương tác cấu trúc chất lỏng. Để xác thực mô hình, chất lỏng bao quanh các cánh máy bay, cánh và thân máy bay đã được nghiên cứu về các góc tấn công đến điểm dừng (góc tới hạn). Đại học Florida đã phát triển một MAV cánh linh hoạt với sải cánh 12,7 cm và thời gian chạy là 15 phút ở tốc độ 24 đến 40 km / h, như trong Hình Hình 1. 1 b [13]. Theo DARPA, các phương tiện có cánh cố định là tốt nhất khi tính về kích thước và trọng lượng [47]. Tuy nhiên, để bay được chúng cần liên tục di chuyển về phía trước để tạo ra lực nâng và các phương tiện không thể lượn và cơ động trong không gian chật hẹp. Do đó, chúng không phù hợp với mục tiêu của chúng tôi được xác định trong Phần giới thiệu chung. Kiểu cánh được trình bày trong phần tiếp theo có thể là giải pháp cho một MAV cơ động hơn. Cánh xoay Hình 1. 2: Các cấu hình của phương tiện bay loại cánh xoay: a) conventional, b) ducted coaxial, c) conventional coaxial, d) side-by-side rotors, e) synchropter, f) conventional tandem, g) quadrotor [20], [21]. Khả năng cất cánh thẳng đứng, bay lơ lửng và bay chậm theo bất kỳ hướng nào khiến các phương tiện cánh quay trở nên rất hấp dẫn, đặc biệt là để sử dụng trong môi trường đô thị hạn chế hoặc trong nhà. Phạm vi ứng dụng rộng rãi: điều hướng trong nhà, trinh sát dân sự, an ninh dân sự, lập bản đồ, khảo sát và giám sát, mô hình độ cao kỹ thuật số, chụp ảnh nói chung, v.v. Dựa trên số lượng và vị trí của cánh quạt, các phương tiện cánh quay có thể được chia thành các danh mục khác nhau, như minh họa trong Hình Hình 1. 2. Mỗi loại có những đặc điểm cụ thể phù hợp với các nhiệm vụ cụ thể, do đó danh mục được lựa chọn phụ thuộc vào nhiệm vụ. Ví dụ, nếu cần một MAV cánh quay có thể điều khiển được thì động cơ bốn bánh sẽ phù hợp hơn, nhưng nếu yêu cầu phương tiện bay có cấu hình phức tạp thấp thì động cơ bốn bánh không còn là lựa chọn tốt nhất. Trong số các MAV cánh xoay có liên quan, trước tiên chúng ta có thể trích dẫn Black Hornet (Hình Hình 1. 3a), một MAV quân sự được phát triển bởi Prox Dynamics AS của Na Uy [22]. Thiết bị này có kích thước khoảng 10 cm x 2,5 cm - đủ nhỏ để vừa trong tay bạn - và chỉ nặng hơn 16 g bao gồm cả pin. Phương tiện bay này sở hữu ba camera, một hướng về phía trước, một hướng thẳng xuống và một hướng xuống 45 °, và hiện đang được sử dụng trong các khu vực chiến đấu. Hình 1. 3: Ví dụ MAV và NAV loại cánh xoay, (a) the Black Hornet, (b) Crazyflie, (c) Mesicopter, (d) Picoflyer. Một ví dụ khác là quadrotor Crazyflie 2.0 (Hình Hình 1. 3b), một nền tảng phát triển máy bay cơ động mã nguồn mở, lý tưởng cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Có thể sửa đổi bất kỳ phần nào của hệ thống để kiểm soát hoàn toàn và hoàn toàn linh hoạt. Phần cứng mong muốn hoặc thậm chí các cảm biến mới nhất có thể được thêm vào thông qua các cổng mở rộng. Quadrotor này chỉ nặng 27 g và có kích thước 92 mm x 92 mm x 29 mm, đủ nhỏ để nằm gọn trong tay bạn. Thời gian bay của nó là khoảng 7 phút và trọng tải khuyến nghị tối đa của nó là 15 g [23]. Hệ thống cánh quay có thể được sử dụng trong MAV và NAV. Tuy nhiên, MAV hiện được ưa chuộng hơn do khả năng chịu tải cao hơn. Hai NAV quay được giới thiệu ở đây: Mesicopter [24] và Picoflyer [25]. Mesicopter, một NAV quadrotor 3 g, là một phần của nghiên cứu khả thi cho rôto quy mô rất nhỏ (Hình Hình 1. 3c). Sử dụng rôto có đường kính 1,5 cm và nguồn điện bên ngoài, nguyên mẫu có thể bay lơ lửng khi bị hạn chế vào bàn thử nghiệm. Tuy nhiên, thiết bị không thể duy trì chuyến bay thực vì pin quá nặng và không có thiết bị điện tử điều khiển. Picoflyer cánh quạt đồng trục quay ngược chiều 60 mm (Hình 1.4d) là máy bay trực thăng điều khiển bằng sóng vô tuyến nhỏ nhất từng được giới thiệu, chỉ nặng 3,3 g và bay liên tục trong 30 s. Mặc dù nó ổn định một cách thụ động nhưng nó đòi hỏi một người điều khiển có kinh nghiệm và nó không có cảm biến. Phân tích số liệu công suất (FM) trong tài liệu [54] cho thấy kết quả kém đối với rôto sử dụng cho MAV dẫn đến thời gian bay ngắn. Ngoài ra, rất ít hệ phương tiện có trang bị các cảm biến bổ sung. FM giảm từ 0,8 đối với phương tiện bay cánh xoay có người lái thông thường xuống từ 0,45 đến 0,55 đối với các MAV hiện có. Hiệu suất khí động học kém này là hậu quả của số Re hoạt động thấp và hiệu ứng nhớt tương đối cao hơn. Để tăng thời gian bay, các nhà thiết kế hệ thống cánh quay đã tập trung nhiều hơn vào việc tối ưu hóa hình dạng cánh gió, nền tảng cánh quạt và sự phân bố xoắn [55]. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, không thể bỏ qua tiếng ồn do tần số kích hoạt đơn lẻ của các cánh quạt hoặc rôto. Kết luận, cả cánh cố định và cánh quay đã được nghiên cứu trong nhiều năm. Tuy nhiên, tất cả đều có vấn đề khi ta cố gắng giảm kích phương tiện và hệ số Re. Điều này đã thúc đẩy các nghiên cứu với loại cánh thứ ba: cánh đập. Cánh đập Ý tưởng về phương tiện bay loại cánh đập được lấy cảm hứng từ các sinh vật bay bao gồm chim và côn trùng, đập cánh để tạo lực nâng và lực đẩy. MAV nằm trong cùng phạm vi với các loài chim nhỏ nhất và côn trùng lớn nhất. Ở kích thước nhỏ này, những phương tiện bay phải chịu hiệu ứng nhớt tương đối cao do sự giảm số hệ số Re. Như trong Hình 1. 4, các phương tiện hoặc động vật bay càng nhỏ thì số Re càng thấp. Hơn nữa, cánh liên tục tăng và giảm tốc trong quá trình đảo chiều hành trình dẫn đến khí động học không ổn định cao. May mắn thay, thiên nhiên đã có câu trả lời, đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu đang cố gắng tái tạo trong phòng thí nghiệm kỹ thuật bay tương tự như các loài chim và côn trùng được gọi là cánh đập. Hình 1. 4:Khoảng hệ số Reynolds cho các sinh vật cũng như ..., Libellula pulchella, ruồi giấm và diều hâu [74]. Mặc dù những loài côn trùng có nhóm cơ để kiểm soát góc quay của cánh trong khi bay, nhưng khí động lực học và lực quán tính của cánh vẫn đủ để quay cánh mà không cần sự hỗ trợ của cơ. Cơ chế này được áp dụng thành công trong nhiều FWMAV hiện có [52], [75]–[80]. Trong hầu hết các trường hợp, một chi tiết đàn hồi được thêm vào cánh để góp phần vào chuyển động quay của cánh. Một sự lựa chọn khác khai thác tính linh hoạt của cạnh đầu để tạo ra chuyển động xoắn của mép trước cánh, như trong [76]. In some cases, the wing can rotate passively at a specific angle limited by a stopper fixed to one end of the wing leading-edge spar [79], [78]. In the last approach, the wings collide with the stopper and are, therefore, vulnerable to vibrational flaws and breaking. To sum up, active wing pitch brings more control but significantly increases the vehicle mass. Therefore, until now, this concept is applied majorly on MAVs with the higher payload. On the contrary, lightweight passive wing pitch could be found on both MAV and NAV. Trong một số trường hợp, cánh có thể quay thụ động theo một góc cụ thể được giới hạn bởi một cơ cấu chặn được gắn cố định vào một đầu của trục biên đầu cánh [37], [36]. Trong cách tiếp cận cuối cùng, cánh sẽ va chạm với cơ cấu chặn chặn và do đó, dễ bị rung và gãy. Tóm lại, quay cánh chủ động mang lại nhiều khả năng kiểm soát hơn nhưng lại làm tăng đáng kể khối lượng phương tiện. Do đó, cho đến nay, khái niệm này được áp dụng chủ yếu trên các MAV có trọng tải cao hơn. Ngược lại, quay cánh cánh bị động thì nhẹ và có thể được tìm thấy trên cả MAV và NAV. Tổng kết lại, động cơ DC được ưu tiên làm thiết bị truyền động chính cho MAV. Tiếp theo, việc lựa chọn đuôi, không đuôi hay buồm phụ thuộc vào nhà thiết kế. Sử dụng buồm giúp đơn giản hóa việc điều khiển, nhưng phương tiện kém linh hoạt hơn và trông nó cũng không tự nhiên. Loại có đuôi được điều khiển chủ động dẫn đến khả năng cơ động cao hơn nhưng nó cũng làm tăng độ phức tạp của các cơ cấu liên kết và do đó làm tăng khối lượng phương tiện. Thiết kế không đuôi với hai hoặc bốn cánh gần giống với ruồi sinh học. Tuy nhiên, chuyến bay của chúng rất không ổn định do đó đòi hỏi thuật toán điều khiển cũng như mạch điện tử phức tạp hơn. Cuối cùng, quay cánh bị động phù hợp hơn với MAV và MAV của chúng tôi. Xác định khối lượng – chiều dài sải cánh và tần số đập cánh Từ sự so sánh trước đó của các loại phương tiện bay dựa trên cấu hình cánh trong Chương 1.2, chúng ta nhận thấy rằng các phương tiện cánh đập có tiềm năng vượt xa các loại khác về hiệu suất bay, đặc biệt là các cho phương tiện cỡ nhỏ. Động học của cánh côn trùng và cơ cấu chấp hành tương ứng đã được chọn trong Chương 1.3. Những khó khăn to lớn của các hiện tượng khí động học không ổn định mà các nhà nghiên cứu gặp phải khi thiết kế các phương tiện bay cỡ nhỏ cũng được đề cao. Tuy nhiên, từ các khó khăn ta phát hiện ra nhiều khả năng nâng cao sức nâng như khai thác cơ chế “clap and fling” hoặc tăng giới hạn góc tấn. Phần Chương 2 xem xét các MAV hiện có. Bằng cách chia chúng thành các nhóm tùy thuộc vào bộ truyền động và cấu hình hình học của chúng, chúng ta đã thu thập thêm thông tin từ các nghiên cứu khác. Bây giờ, chúng ta tổng hợp tất cả kiến thức tích lũy được để suy ra thiết kế cuối cùng của MAV của chúng tôi. Kết luận, một MAV giống côn trùng chắc chắn là sự lựa chọn hoàn hảo. Sự lựa chọn này rõ ràng có liên quan đến Chim ruồi, vì kích thước và trọng lượng của loài chim này nằm trong phạm vi MAV. Ngoài ra, đây là loài chim duy nhất có thể bay lượn với động học cánh giống côn trùng. Với ý tưởng phát triển một MAV cánh vỗ cánh lấy cảm hứng từ loài chim ruồi, bây giờ cần thiết lập hai thông số kỹ thuật quan trọng, có liên quan mật thiết với phương tiện bay: sải cánh và tổng khối lượng. Như có thể thấy trong Hình 2. 6 a), mối quan hệ giữa trọng lượng và chiều dài cánh của những sinh vật bay trong tự nhiên là tuyến tính. Phương tiện bay nặng hơn có đôi cánh dài hơn và ngược lại. Từ mối tương quan này, có thể chọn chiều dài cánh thích hợp theo tổng khối lượng của phương tiện lấy cảm hứng từ thiên nhiên. Xem xét các vật liệu hiện có, tổng khối lượng của chiếc xe bao gồm cả mạch điện và pin sẽ vào khoảng 10 g. Lấy Hummingbirds (nét đứt màu đỏ) làm chuẩn, khối lượng này tương ứng với chiều dài cánh là 8 cm. Tiếp theo, trong Hình 2. 6 b) chiều dài cánh được vẽ dựa trên quan hệ với tần suất vỗ của những sinh vật bay tự nhiên và được sử dụng để dự đoán tần suất đập cánh. Có thể thấy, côn trùng luôn vỗ cánh nhanh hơn chim và tần suất đập càng tăng khi chiều dài cánh càng giảm. Một số MAV thành công được trình bày trong sơ đồ này để xác nhận sự lựa chọn lấy cảm hứng từ sinh học này. Trong khi RoboBee và OVMI nằm trong phạm vi côn trùng, DelFly Micro và Nano Hummingbird nằm trong phạm vi tương tự như chim và chính xác hơn là chim ruồi. Với chiều dài cánh 8 cm, mục tiêu 10 g của chúng ta nằm trong phạm vi của chim ruồi, vì vậy theo tự nhiên tần số vỗ của nó phải gần 20 Hz. Từ thông tin này về tần suất đập cánh và khối lượng xe mong muốn, có thể chọn một bộ truyền động phù hợp. Như đã thảo luận trong Chương 2.1, động cơ là một lựa chọn tốt cho MAV vỗ. Ngoài ra, có nhiều khả năng trên thị trường có nhiều loại công suất đầu vào. Hơn nữa, việc sử dụng động cơ làm bộ truyền động giúp tiết kiệm thời gian và giảm các vấn đề liên quan đến việc chế tạo và lắp ráp MAV b) a) Hình 2. 6: Mối quan hệ giữa a) chiều dài cánh và tổng khối lượng, b) chiều dài cánh và tốc độ vỗ cánh, chỉnh sửa từ [81] : Mô phỏng và thực nghiệm GIỚI THIỆU Mục tiêu chương này là phát triển một mô hình toán cho phép phân tích hiệu suất của một FWNAV, có khung đàn hồi và có khả năng hoạt động ở chế độ cộng hưởng. Nghiên cứu này có tính độc đáo bởi nó dựa trên mô hình tham số phân tán (distributed-parameter model) xây dựng cho một phương tiện bay có cấu trúc micro mềm dẻo. Phương tiện được xử dụng trong nghiên cứu này có tên là “object volant mimant l’insecte” (OVMI) [10], được chế tạo bằng công nghệ micro với vật liệu dẻo. Sự rung động của toàn bộ cấu trúc được duy trì bởi một cơ cấu chấp hành điện từ trường. Bởi vì chúng ta quan tâm đến việc phân tích động lực học của một hệ thống đa vật lý, ngôn ngữ Bond Graph thì hoàn toàn phù hợp [82]. Là một dạng ngôn nghữ đồ họa, Bond Graph giúp cho mô hình trở nên rõ ràng và rành mạch. Thêm vào đó khi cần cập nhật hay nâng cấp mô hình, ta chỉ cần thêm vào các thành phần vật lý phù hợp với yêu cầu đề ra mà không cần phải xây dựng mô hình lại từ đầu. Mặc dù có những lợi thế như vậy, mô hình Bond Graph cho đến nay phần lớn chỉ dược áp dụng cho phương tiện bay loại cánh xoay (rotary-wing) [83]–[86]. Dupont et al. [87] và Jahanbin et al. [88], [89] gần đây đã phát triển một mô hình Bond Graph để xác định giá trị của các tham số để phân tích hiệu suất bay của một FWMAV. Hơn thế nữa, Jahanbin et al. còn tính tới biến dạng uốn của cạnh trước (leading edge) của cánh. Rõ ràng rằng mô hình được phát triển trong đề tài này đã còn mở rộng sự mềm dẻo ra toàn bộ cấu trúc của phương tiện. Mô hình Bond Graph của OVMI Giới thiệu về nguyên mẫu Nguyên mẫu được cấu thành chính từ một khung xương 3D làm từ nhiều lớp SU-8, một loại vật liệu cản quang [90] (Hình 3. 1). Tùy vào số lượng cũng như độ dày của các lớp, độ cứng của khung 3D được xác định. Một lớp parylene mỏng (0.4 µm) được phủ trên các đường gân tạo thành lớp màng cho cánh. Sải cánh có chiều dài là 22 mm. Một bộ truyền động điện từ được cố định tại trung tâm tạo ra và duy trì giao động. Các nối mềm đóng vai trò tryền dẫn những giao động này đến cánh. Khối lượng tổng của nguyên mẫu là 22 mg, không bao gồm mạch điện tử hay pin. Rõ ràng nguyên mẫu này nằm trong giới hạn về kích thước và khối lượng của côn trùng. Động học của cấu trúc mềm dẻo này được định nghĩa là sự kết hợp của hai chuyển đổng chính, bao gồm chuyển động uốn và xoắn. Hình 3. 1: Nguyên mẫu OVMI với khối lượng 22 mg và sải cánh 22 mm. Trong nghiên cứu này, chúng tôi xem xét một cánh mềm dẻo mà động học của nó được xác định bằng sự kết hợp của hai chuyển động cơ bản: chuyển động uốn, được mô tả bởi một góc θ và chuyển động xoắn, được mô tả bởi một góc φ, như được thể hiện trong Hình 3. 2a) . c) b) a) Hình 3. 2: a) sơ đồ của một cánh mềm dẻo với hai bậc tự do, b) chế độ uốn mô phỏng, c) chế độ xoắn mô phỏng. Các chuyển động này đạt tới biên độ cực đại khi cộng hưởng, tương ứng được đặt tên là chế độ uốn (Hình 3. 2 b)) và chế độ xoắn (Hình 3. 2 c)). Tuy nhiên, động học cánh của hai chế độ không giống như côn trùng [91], như được giải thích trong Chương 1.3. Độ dốc của cánh trong mỗi hành trình gần như không có đối với chế độ uốn, trong khi độ dốc của chế độ xoắn không được bảo toàn trong suốt hành trình. Đối với các chế độ uốn và xoắn này, về mặt lý thuyết sẽ không tạo ra lực nâng. Để giải quyết vấn đề này, trong nguyên mẫu [10] đã kết hợp hai chế độ trên lại ở một chế độ có tên là Quadrature. Qua đó, tăng biên độ chuyển động và lực nâng được tạo ra. Chính trên cơ sở đó mà mô hình Bond Graph của ta được phát triển. Word Bond Graph của OVMI Word Bond Graph dùng để biểu diễn hệ thống chính thông qua các hệ thống con và dòng năng lượng chảy qua chúng (Hình 3. 3). Nguyên mẫu OVMI gồm có ba hệ thống con chính: bộ tạo sóng, cơ cấu chấp hành điện từ và “cánh”. Hệ thống con thứ nhất tạo ra sóng sin để điều khiển cơ cấu chấp hành điện từ qua đó tạo ra giao động cho cả hệ thống. Hệ thống con cuối cùng được đặt trong dấu ngoặc kép bởi vì nó được đặt tên là cánh tuy nhiên nó đại diện cho cả khung xương 3D mềm dẻo. Những hệ thống con này được kết nối bằng “bonds” (hình mũi tên), biểu diễn sự trao đổi năng lượng hai chiều. Mỗi “bond” đại diện cho một cặp biến năng lượng, được gọi là “flow” và “effort”. Tích của hai biến số này cho ta thông tin về năng lượng tức thời chảy qua một điểm trong hệ thống. Hình 3. 3: Word Bond Graph của OVMI Mô hình Bond Graph của các hệ thống con Bộ tạo sóng: Bộ tạo sóng được mô phỏng một cách đơn giản bằng một phần tử MSf và một nguồn sóng (Hình 3. 4). Biên độ và tần số sóng có thể được tùy chỉnh bằng cách thay thế thông số đầu vào của nguồn. Hình 3. 4: Mô hình Bond Graph của bộ tạo sóng Cơ cấu chấp hành điện từ: Cơ cấu chấp hành điện từ là một thiết bị dùng để chuyển năng lượng điện thành năng lượng cơ. Dòng điện đầu vào (ii) được kiểm soat để cho ra lực điện từ (Fe) mong muốn. Sơ đồ điện tương đương của cơ cấu chấp hành này được miêu tả như trong Hình 3. 5 a). Tỉ lệ giữa hai đại lượng này là kem(z). Giá trị này phụ thuộc vào độ dịch chuyển của nam châm. Mối quan hệ này được miêu tả trong công thức 1. UR=R0*iiFe=kemz.ii=Bmz.2π.r.N.ii (1) Trong đó UR là điện áp trên điện trở cuộn dây (R0), r là bán kính của của cuộn dây và N là số vòng dây cuốn. kemz tương đương với độ dài của cuộn dây (2π.R.N) nhân với giá trị trung bình của mật độ từ thông trên cuộn dây (Bm). Bm lại phụ thuộc vào độ dịch chuyển của nam châm và có thể biểu diễn thông qua một đa thức bậc 8 như trong công thức 2. Binterpz=p1.z8+p2.z7+p3.z6+p4.z5+p5.z4+p6.z3+p7.z2+p8.z+c (2) Trong Bond Graph, một cơ cấu chấp hành điện từ có thể được biểu diễn bởi ba phần tử. Một phần tử R, một phần tử nối 1, và một phần tử MGY, như miêu tả trong Error! Reference source not found. b). Phần tử R đại diện cho điện trở cuộn dây R0. Phần tử mối nối 1 biểu diễn cho việc mắc nối tiếp nguồn đầu vào, điện trở cuộn dây và phần tử MGY. Phần tử cuối cùng đóng vai trò là bộ chuyển đổi năng lượng, biểu diễn cho mối quan hệ giữa dòng điện đầu vào (ii) và lực điện từ đầu ra (Fe). Thêm vào đó tỉ số, kemz, được biểu diễn bởi giản đồ khối như trong Hình 3. 6 theo công thức 2. Ngoài ra, bởi vì giá trị trung bình của từ thông phụ thuộc vào vị trí của nam châm, một cảm biến q được đưa vào để theo dõi thông số này. R0 PR0 kemz z(t) Fe z(t) ii Ui R0 ii Fe a) b) Ui a) b) Hình 3. 5: Biểu diễn cơ cấu chấp hành điện từ, a) thông qua sơ đồ mạch điện tương đương b) thông qua ngôn ngữ Bond Graph. Ui Hình 3. 6: Biểu diễn Bond Graph cho giá trị trung bình của từ trường. Mô hình Bond Graph của cánh Mô hình “Cánh” thực chất bao gồm toàn bộ tất cả các thanh của khung xương nhưng không bao gồm màng cánh. Hiệu ứng của màng cánh thay vào đó được biểu diển thông qua hiệu ứng của khí động học. Giả thuyết này dựa trên thực tế là màng cánh rất mòng so với độ dày đường gân cánh. Công cụ toán học thường được dùng để phân tích hệ các thanh mềm dẻo như vậy là lý thuyết Euler Bernoulli. Như trong Hình 3. 7, khung mềm dẻo của phương tiện được miêu tả bằng 13 thanh Euler Bernoulli. Giao động uốn và xoắn trong từng thanh có thể được biểu diễn thông qua hai phương trình đạo hàm như sau: EIiwi''''(xi,t)+ρSiwi(xi,t)=0GJiθi''(xi,t)-ρJiθi(xi,t)=0 (3) Trong đó wi(xi,t) và θi(xi,t) lần lượt là chuyển vị ngang (gây ra do uốn) và góc xoắn (độ xoay của mặt cắt xung quanh trục thanh) của thanh i, tại vị trí xi và thời gian t. Đạo hàm theo không gian và thời gian được biểu diễn bởi by wi'=∂wi/∂xi và wi=∂wi/∂t. E và ρ là mô đun Young và mật độ của vật liệu (SU-8). G=E/(2(1+υ)) là mô đun cắt; Si, Ii và Ji lần lượt là diện tích mặt cắt, mô men quán tính uốn và xoắn của thanh i. Động học của cấu trúc được tính bằng cách phân tách chuyển vị ngang và góc xoắn theo thành phần không gian và thành phần thời gian: wixi,t=k=1Nϕin(xi)qn(t)θixi,t=k=1Nγin(xi)qn(t) (4) trong đó qnt là thành phần theo thời gian của chế độ thứ n, ϕin(xi), γin(xi) là hình dáng của thanh i tại vị trí xi của chế độ thứ n lần lượt cho uốn và xoắn. ωn là tần số góc tự nhiên của chế độ thứ n. Để giải tìm các giá trị này, ta thay (3) vào (4) và áp dụng các điều kiện biên cho tất cả các thanh. Trong các các chế độ được tìm thấy, chúng ta quan tâm đến chế độ 1 và 3 vì nó liên quan đến cộng hưởng uốn và xoắn. Hai chế độ này, vì vậy được đặt tên là chế độ uốn và chế độ xoắn. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Hình 3. 7: Sơ đồ của “Cánh”, màu sắc được dùng để phân biệt các thanh liền kề. Để có thể tích hợp lý thuyết Euler Bernoulli cho Bond Graph, mỗi chế độ hoạt động được biểu diễn bằng một hệ khối lượng-lò xo-giảm chấn [82]. Giá trị tương ứng của độ cứng kn và khối lượng mn của chế độ thứ n được xác định thông qua (5). mn=i=1130LiρSiϕi(n)2(x)+ρJiγi(n)2(x)dx kn=i=1130LiEIiϕi(n)''''(x)ϕi(n)(x)+GJiγi(n)''(x)γi(n)(x)dx (5) trong đó Li là độ dài của thanhh thứ i. Theo lý thuyết dao động cổ điển [92], thành phần theo thời gian qnt thỏa mãn phương trình đạo hàm sau: mnqnt+Rnqnt+knqnt=ϕ7n(L72)Fe (6) trong đó ϕ7n(L72) là biên độ uốn tại điểm giữa của thanh số 7 khi chế độ n đang được sử dụng. Fe là lực điện từ tác động lên điểm giữa của thanh thứ 7. (6) có dạng của phương trình định luật Newton 2. Bởi vì chúng ta quan tâm đến hai chế độ 1 và 3, chỉ có hai nhóm (m1, k1,R1) và (m3,k3, R3) được sử dụng. Trong đó giá trị Rn được suy ra từ hệ số chất lượng (quality factor) đạt được trong thí nghiệm. Trong ngôn ngữ Bond Graph, phương trình (6) có thể được biểu diễn bởi một nối 1 đại diện cho sự cân bằng lực. Một phần tử C, một phần tử I và một phần tử R lần lượt đại điện cho khối lượng, lò xo và giảm chấn. Hình 3. 8 biểu diễn mô hình Bond Graph của cánh. Nối tất cả các mô hình đã trình bày ở trên tại các mỗi nối chung ta sẽ có mô hình Bond Graph cuối cùng cho toàn bộ phương tiện. Fe z(t) 1/ϕ71(L72) 1/ϕ73(L72) m1 1/k1 R1 R3 ϕ1(1)(L1) ϕ1(3)(L1) 1/k3 m3 q1(t) q3(t) w1L1,t w1(1)L1,t w1(3)L1,t Hình 3. 8: Biểu diễn Bond Graph cho cánh Mô phỏng Xác định thông số cánh Độ cứng và khối lượng tương đương tương ứng với mỗi chế độ cộng hưởng có thể được suy ra về mặt lý thuyết từ Công thức 5. Do đó, tần số hoạt động tương ứng được xác định bởi fn=12πkn/mn. Tuy nhiên, giảm chấn tương đương, bao gồm cả tác dụng làm giảm độ đàn hồi của các lực đàn hồi, được đánh giá bằng thực nghiệm thông qua tác động của áp suất không khí lên hành vi động lực học của phương tiện. Các thí nghiệm được tiến hành bằng cách đặt nguyên mẫu trong một buồng chân không, như trong Hình 3. 9, để kiểm soát áp suất xung quanh. Buồng chân không được sử dụng bao gồm một buồng kín được nối với bơm chân không sơ cấp để đạt áp suất chân không 6.10-3 mbar. Nguyên mẫu được định vị trên một giá đỡ bên trong buồng kín khí này trước một cửa sổ trong suốt để đo sự dịch chuyển tại tâm của khung trên cơ cấu truyền động điện từ bằng cách sử dụng máy đo rung laser. Do đó, đáp ứng tần số (FRF) tại các điểm cụ thể trên nguyên mẫu “Wings” có thể được thiết lập cho các áp suất khác nhau. Các FRF này giúp bạn có thể đánh giá giảm chấn khí động học ở các áp suất khác nhau bằng cách xác định băng thông ở mức -3 dB dưới mức đỉnh cộng hưởng. Do đó ta có thể thu được hệ số chất lượng Q (Q=f0/∆f)) của cánh theo áp suất bên trong buồng chân không, như trong Hình 3. 10. Prototype Support Porthole Laser spot Vacuum chamber Hình 3. 9: Ảnh chụp một mẫu thử nghiệm được đặt trong một buồng chân không được sử dụng để xác định ảnh hưởng của áp suất xung quanh lên hành vi động của nguyên mẫu. Hệ số chất lượng giảm một cách hợp lý với sự gia tăng áp suất tương ứng với sự gia tăng của hệ số giảm chấn là ξ=1/2Q. Ở áp suất khí quyển, hệ số chất lượng là Q=10 và ξ=0.05, trong khi ở áp suất 6.10-3 mbar, Q=60 and ξ=0.0083. Giá trị giảm xóc sau đó được ước tính là Rn=2ξknmn cho mỗi chế độ trong điều kiện áp suất mong muốn. Kết quả được tóm tắt trong Bảng 3. 1 để làm rõ hơn. Bảng 3. 1: Thông số của cánh Chế độ uốn Chế độ xoắn Đơn vị kn 7.215e-5 1.052e-4 N/m mn 1.043e-10 1.163e-10 kg Rn in air 8.675e-09 1.106e-08 f 132.5 151.4 Hz Hình 3. 10: Sự thay đổi của hệ số chất lượng theo áp suất. Mô phỏng động học cánh Với các giá trị cho trong Bảng 3. 1, mô hình hiện đã hoàn thành đầy đủ. Sử dụng mô hình này, chúng ta đã tìm kiếm sự tồn tại của các chế độ “quadrature” bằng cách sử dụng đáp ứng tần số. Động học cánh cụ thể của các chế độ có thể được hình dung bằng cách theo dõi một số điểm trên cánh OVMI. Đáp ứng tần số thể hiện trong Hình 3. 11 được suy ra từ hàm truyền biểu thị tỷ số giữa chuyển động của cánh ở đầu tự do của cạnh trước (thanh 11) và dòng điện (ii). Chuyển động (1) (trên Hình 3. 11) là tổng hợp của chế độ uốn (2) và xoắn (3). Trong Hình 3. 11 a), các cực đại cục bộ của (1) xảy ra gần với tần số cộng hưởng của (2) và (3) tại đó các pha của chúng giao nhau ở 90 °, như được mô tả trong Hình 3. 11 b). Chế độ quadrature được tìm thấy khi quan sát sự chuyển pha giữa (2) và (3). Nhìn vào Hình 3. 11 b), có hai tần số (135,5 Hz và 148 Hz) mà độ lệch pha (4) là 90 °. Chúng tương ứng với các chuyển động học với chuyển động uốn và xoắn theo phương vuông góc. Hình 3. 11: Mô phỏng Bond Graph biên độ và đáp ứng tần số của nguyên mẫu. a) biên độ của đầu tự do của tia 2 (1) và các thành phần tương ứng của nó bao gồm chuyển động uốn (2) và xoắn (3); b) giai đoạn uốn (2) và xoắn (3) và sự khác biệt của chúng (4) Với mô hình đã được hoàn thiện, chúng ta theo dấu đầu mút của các thanh 1, 2 và 3 để minh họa quỹ đạo cánh tại các hai chế độ hoạt động uốn và xoắn (Hình 3. 12). Có thể thấy rằng, hai chế cộng hưởng uốn và xoắn này mang lại biên độ lớn cho hai chuyển động chính. Tuy nhiên, chúng lại không thích hợp cho việc tạo lực nâng. Ở chế độ uốn (Hình 3. 12 a)), góc tấn lớn vì thế sẽ có nhiều lực kéo được tạo ra hơn là lực nâng (Hình 3. 12 b)). Ví dụ, ngay ở điểm giữa của của quỹ đạo cánh, góc tấn gần như bằng 90o. Thêm vào đó, sự thay đổi của góc tấn của chế độ hoạt động này và ngay cả chế độ xoắn (Hình 3. 12 c)) tạo ra lực nâng âm trong nửa đầu của những lần đập cánh (Hình 3. 12 d)). Kết quả là tổng lực nâng trong mỗi lần đập cánh là bé. Nguyên nhân của vấn đề nằm ở chỗ, hai chế độ hoạt động này chỉ tập trung cho hoặc là xoắn hoặc là uốn. Chúng thiếu đi sự phối kết hợp của cả hai loại chuyển động. Để giải quyết vấn đề này, ta sử dụng đáp ứng tần số của hệ thống để tìm kiếm các chế độ hoạt động khác phù hợp hơn. Tại 135.5 Hz và 148 Hz, tồn tại hai chế độ mà có sự lệch pha 90o giữa uốn và xoắn, ta đặt tên cho chúng là chế độ quadrature 1 và 2. Động học của hai chế độ này được miêu tả trong Error! Reference source not found.. Ở hai chế độ hoạt động này, cả uốn và xoắn đều được kích hoạt. Uốn thì nhiều hơn xoắn ở chế độ thứ 1, bởi vì chế độ này gần với vị trí xảy ra cộng hưởng uốn. Giải thích tương tự có thể sử dụng cho xoắn ở chế độ quadrature 2. Có thể thấy rằng hai chế độ này mang lại quỹ đạo cánh cơ bản của côn trùng bao gồm đập cánh, xoay cánh và lùi cánh. Tóm lại, với hai chế độ quadrature này, ta có thể tin rằng quỹ đạo cánh nhận được là phù hợp cho việc tạo lực nâng. Hình 3. 12: Chế độ uốn (f = 132.5 Hz), chế độ xoắn (f = 151.4 Hz). Hình 3. 13: Chế độ quadrature 1 (f = 135.5 Hz), chế độ quadrature 2 (f = 148.0 Hz). Kết quả thực nghiệm Khái niệm đề xuất đã được xác nhận thông qua các kết quả thực nghiệm thu được trong một nghiên cứu trước đây [10]. Trong phần này, chúng tôi chỉ tóm tắt các bằng chứng chứng minh sự tồn tại của hai chế độ cộng hưởng và lợi ích của việc vận hành ở chế độ quadrature. Tốt hơn nên nhắc rằng hai thí nghiệm cụ thể đã được phát triển để theo dõi sự thay đổi của lực nâng theo động học của cánh như được mô tả trong [10]. Hai FRFs của độ lệch của khung (một tại nam châm và and một tại cạnh dẫn của cánh trái được miêu tả trong Hình Hình 3. 14 (c) cho ta thấy hai đỉnh tại 140 Hz và 195 Hz. Thông qua mô hình hóa lại thực nghiệm hình dạng độ võng, người ta chứng minh rằng hai đỉnh này ứng với chế độ uốn và xoắn. Ảnh chụp nhanh của hai hình dạng biến dạng như trong Hình Hình 3. 14 a) và b), rõ ràng là củng cố xác nhận đó. Tiếp theo, liên quan đến phép đo lực nâng trung bình Hình 3. 14 d), nó cũng tồn tại hai cực đại cục bộ ở 133,5 Hz và 190,8 Hz. Cả hai đều xảy ra ngoài tần số cộng hưởng. Bằng cách quan sát chuyển động của cánh bằng camera tốc độ cao, như minh họa trong Hình 3. 15, hai giá trị lớn nhất này tương ứng với chuyển động của cánh dự kiến với các cạnh dẫn và mép sau cánh theo phương vuông góc pha, tương tự như dự đoán của lý thuyết (Hình 3. 13). Hình 3. 14: Thí nghiệm độ biến dạng tại tần số cộng hưởng: (a) chế độ uốn; (b) chế độ xoắn. (c) FRF của nguyên mẫu được lấy tại nam châm và đầu mút của cạnh dẫn cánh bên trái, tại khoảng tần số khảo sát. (d) Đường cong đa thức xấp xỉ [10]. Tóm lại, sự tồn tại của hai chế độ quadrature đã được chứng minh bằng cách sử dụng máy ảnh tốc độ cao. Trong đoạn video được ghi lại, chuyển động của cạnh đầu và cạnh sau theo phương vuông góc với pha tương tự như dự đoán của lý thuyết (Hình 3. 13), nhưng có sự khác biệt về tần số làm việc thu được bằng thực nghiệm và thông qua mô phỏng. Những khác biệt này có thể được giải thích bởi thực tế là các hiệu ứng khối lượng thêm vào bị bỏ qua trong mô hình, điều này làm thay đổi tần số cộng hưởng. Hình 3. 15: Một số khung hình được chụp bằng camera tốc độ cao ở tần số chế độ quadrature thứ hai (190,8 Hz). Đường đứt nét màu xanh lam: vị trí dây cung cánh ban đầu; Đường đứt nét màu cam: vị trí dây cung cánh hiện tại. Đảo cánh xảy ra xung quanh khung 4 [10]. Sơ đồ mạch và phương pháp chế tạo tiêu bản Hình 3. 16 Sơ đồ mạch phát triển cho phương tiện bay MAV Sơ đồ mạch Hình 3. 17: Layout phát triển cho phương tiện bay MAV Mạch in Quy trình chế tạo Quá trình chế tạo cánh SU-8 phụ thuộc chủ yếu vào kỹ thuật quay phủ và in thạch bản. Một ví dụ về quy trình quang khắc được sử dụng để sản xuất cấu trúc OVMI (liên kết, khung của cánh và lồng ngực) được mô tả trong Hình 3.18. Hình 3. 18: Sơ đồ quy trình quang khắc được sử dụng để sản xuất cấu trúc OVMI (liên kết, khung của cánh và lồng ngực) [93]. Lấy một tấm wafer và lắp một lớp nhôm lên nó, SU-8 được lắng đọng và tráng quay đến độ dày mong muốn. Sau đó, nó được cách nhiệt với tia cực tím thông qua một mặt nạ thích hợp đại diện cho cấu trúc của chúng ta. SU-8 sẽ liên kết chéo nơi phần tiếp xúc và không liên kết chéo sẽ bị hòa tan khi ngâm vào dung môi. Bằng cách lặp lại các bước này nhiều lần cho các độ dày và hình dạng mặt nạ khác nhau, cấu trúc SU-8 (cánh, ngực, v.v.) có thể được chế tạo dễ dàng. Độ dày có thể từ 1 μm đến 400 μm và hình dạng mặt nạ lên đến 7,5 cm [94]. : Kết luận và hướng phát triển Trong báo cáo này, chúng ta đã xây dựng thành công một mô hình Bond Graph dành cho một FWNAV. Mô hình được trình bày mang tính mới bởi vì được xây dựng cho một vật thể bay kích cỡ rất nhỏ lại còn là loại có khung xương mềm dẻo. Từ mô hình này bốn chế độ hoạt động đã được tìm thấy. Thông qua phân tích, hai trong số chúng kh thích hợp cho việc tạo lực nâng, hai chế độ còn lại thì thành công trong việc tái tạo quỹ đạo cánh côn trùng qua đó có thể thấy được khả năng cải tạo lực nâng của chúng. Trong nhưng nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi sẽ tiếp tục tìm hiểu các phương pháp để có thể nâng cao lực nâng như cải thiện cơ cấu truyền động hay lựa chọn các cấu trúc tối ưu hơn nữa để có thể khiến vật thể bay kích cỡ NAV bay được. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “nature | Definition of nature in English by Oxford Dictionaries,” Oxford Dictionaries | English. https://en.oxforddictionaries.com/definition/nature (accessed Sep. 26, 2018). [2] Unmanned aircraft systems: (UAS). Montréal: International Civil Aviation Organization, 2011. [3] J. W. Gerdes and S. K. Gupta, “A REVIEW OF BIRD-INSPIRED FLAPPING WING MINIATURE AIR VEHICLE DESIGNS,” p. 16. [4] L. Petricca, P. Ohlckers, and C. Grinde, “Micro- and Nano-Air Vehicles: State of the Art,” Int. J. Aerosp. Eng., vol. 2011, pp. 1–17, 2011, doi: 10.1155/2011/214549. [5] S. K. Banala, Y. Karakaya, S. McIntosh, Z. Khan, and S. K. Agrawal, “Design and Optimization of a Mechanism for Out of Plane Insect Wing Like Motion With Twist,” p. 7, 2004. [6] S. P. Sane, “The aerodynamics of insect flight,” J. Exp. Biol., vol. 206, no. 23, pp. 4191–4208, Dec. 2003, doi: 10.1242/jeb.00663. [7] M. H. Dickinson and K. G. Götz, “Unsteady aerodynamic performance of model wings at low reynolds numbers,” p. 21. [8] “IEMN – Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie.” https://www.iemn.fr/ (accessed Sep. 26, 2018). [9] C. H. Greenewalt, Hummingbirds. Dover Publication, INC., New York, 1990. [10] D. Faux, O. Thomas, E. Cattan, S. Grondel, and L. A. Doan, “Two modes resonant combined motion for insect wings kinematics reproduction and lift generation,” EPL Europhys. Lett., vol. 121, no. 6, p. 66001, Mar. 2018, doi: 10.1209/0295-5075/121/66001. [11] “UNMANNED AERIAL VEHICLES,” Jul. 24, 2009. https://web.archive.org/web/20090724015052/ (accessed Jun. 18, 2017). [12] J. Grasmeyer and M. Keennon, “Development of the Black Widow Micro Air Vehicle,” Jan. 2001, doi: 10.2514/6.2001-127. [13] D. Gyllhem, K. Mohseni, D. Lawrence, and P. Geuzaine, “Numerical simulation of flow around the Colorado micro aerial vehicle,” in AIAA Fluid Dynamics Conference and Exhibit, 2005, pp. 6–9, Accessed: Jul. 09, 2017. [Online]. Available: https://arc.aiaa.org/doi/pdf/10.2514/6.2005-4757. [14] W. Shyy, B. Mats, and L. Daniel, “Flapping and fexible wings for biological and micro air vehicles,” Prog. Aerosp. Sci., vol. 35, no. 5, pp. 455–506, 1999. [15] M. R. Waszak, L. N. Jenkins, and P. Ifju, “Stability and control properties of an aeroelastic fixed wing micro aerial vehicle,” AIAA Pap., vol. 4005, p. 2001, 2001. [16] V. Brion, M. Aki, and S. Shkarayev, “Numerical simulation of low Reynolds number flows around micro air vehicles and comparison against wind tunnel data,” in AIAA Applied Aerodynamics Conference, 2006, pp. 5–8, Accessed: Jul. 09, 2017. [Online]. Available: https://arc.aiaa.org/doi/pdfplus/10.2514/6.2006-3864. [17] Y. Lian and W. Shyy, “Numerical Simulations of Membrane Wing Aerodynamics for Micro Air Vehicle Applications,” J. Aircr., vol. 42, no. 4, pp. 865–873, Jul. 2005, doi: 10.2514/1.5909. [18] B. Stanford, D. Viieru, R. Albertani, W. Shyy, and P. Ifju, “A numerical and experimental investigation of flexible micro air vehicle wing deformation,” 2006, Accessed: Jul. 09, 2017. [Online]. Available: https://arc.aiaa.org/doi/pdfplus/10.2514/6.2006-440. [19] D. Viieru, R. Albertani, W. Shyy, and P. G. Ifju, “Effect of Tip Vortex on Wing Aerodynamics of Micro Air Vehicles,” J. Aircr., vol. 42, no. 6, pp. 1530–1536, Nov. 2005, doi: 10.2514/1.12805. [20] A. Datta, “The martian autonomous rotary-wing vehicle (MARV).” Tech. Rep., University of Maryland, College Park, Md, USA, 2000. [21] L. Petricca, P. Ohlckers, and C. Grinde, “Micro- and Nano-Air Vehicles: State of the Art,” Int. J. Aerosp. Eng., vol. 2011, pp. 1–17, 2011, doi: 10.1155/2011/214549. [22] “Black Hornet Nano,” Wikipedia. Aug. 23, 2018, Accessed: Sep. 18, 2018. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Black_Hornet_Nano&oldid=856221024. [23] “Crazyflie 2.0.” https://www.seeedstudio.com/Crazyflie-2.0-p-2103.html (accessed Jul. 12, 2017). [24] I. Kroo et al., “The Mesicopter: A Miniature Rotorcraft Concept Phase II Final Report,” p. 138. [25] P. Muren, “Picoflyer description,” 2005. [26] H. Dong, A. T. Bode-Oke, and C. Li, “Learning from Nature: Unsteady Flow Physics in Bioinspired Flapping Flight,” in Flight Physics - Models, Techniques and Technologies, K. Volkov, Ed. InTech, 2018. [27] C. Galiński and R. Żbikowski, “Some problems of micro air vehicles development,” Bull. Pol. Acad. Sci. Tech. Sci., vol. 55, no. 1, 2007, Accessed: Jul. 15, 2017. [Online]. Available: [28] G. C. H. E. de Croon, M. Perçin, B. D. W. Remes, R. Ruijsink, and C. De Wagter, The DelFly. Dordrecht: Springer Netherlands, 2016. [29] J. W. Kruyt, E. M. Quicazan-Rubio, G. F. van Heijst, D. L. Altshuler, and D. Lentink, “Hummingbird wing efficacy depends on aspect ratio and compares with helicopter rotors,” J. R. Soc. Interface, vol. 11, no. 99, pp. 20140585–20140585, Jul. 2014, doi: 10.1098/rsif.2014.0585. [30] C. Evangelista, P. Kraft, M. Dacke, J. Reinhard, and M. V. Srinivasan, “The moment before touchdown: landing manoeuvres of the honeybee Apis mellifera,” J. Exp. Biol., vol. 213, no. 2, pp. 262–270, Jan. 2010, doi: 10.1242/jeb.037465. [31] G. Card and M. H. Dickinson, “Visually Mediated Motor Planning in the Escape Resp