Kanat çırpma hareketi bulunan dinamik sistemlerin stabilizasyonu
Stabilization of dynamic systems with wing flapping motion
Yazar: MUSTAFA KAAN ATİK
Danışman: PROF. DR. ATA MUĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Bu araştırma, mühendislik alanında doğadan ilham alan bir perspektife odaklanmaktadır, özellikle de kuşların ve böceklerin hareket kabiliyetlerinden esinlenerek kanat çırpmaya dayalı stabilizasyonu ele almaktadır. Çalışmanın temel amacı, biyolojik sistemlerin doğadaki çeşitli ve etkileyici hareket yeteneklerini makinelerde nasıl kullanabileceğimizi anlamaktır. Özellikle kuşların ve böceklerin çevresiyle etkileşimlerinde sergiledikleri çeşitlilik ve etkileyici manevra kabiliyeti gibi bu doğal yetenekleri makinelerde nasıl entegre edebileceğimiz mühendislik anlamında önemli bir konudur.
Çalışma, kuşların ve böceklerin kanat çırpmaya dayalı stabilizasyon mekanizmalarını mühendislik uygulamalarına adapte etmenin potansiyelini keşfetmeye yönelik çalışmalar içermektedir. Hava taşıtları, drone'lar ve robot sistemleri gibi karmaşık makinelerin performansını artırmak, manevra kabiliyetini geliştirmek ve enerji verimliliğini optimize etmek amacıyla bu doğadan alınan ilham, yeni ve inovatif teknolojilerin geliştirilmesine katkı sağlayabilir.
Ornithopterler, kuşların uçuş mekanizmalarından esinlenilerek tasarlanan hava araçlarıdır ve kanatlarını çırparak uçma yeteneğine sahiptirler. Bu uçan araçlar, geleneksel sabit kanatlı uçaklardan farklı olarak kuş benzeri bir hareketle ilerlerler. Gelişen teknoloji ile birlikte, modern materyallerin kullanımı ve mühendislik bilgisi, ornithopter tasarımlarını yeniden gündeme getirmiştir. Elektrikli motorlar, hafif malzemeler ve aerodinamik optimizasyon, bugünün ornithopterlerinin tasarımında etkili olmaktadır.
Ornithopterlerin uçuşu, kuşların kanat çırpmalarından ilham alır. Kanatların çırpılması, hava akışını manipüle ederek kaldırma kuvveti üretir. Bu, ornithopterlerin yüksek manevra kabiliyetine sahip olmalarını sağlar. Ornithopterler genellikle elektrikle çalışan motorlar veya hafif yakıtlarla çalışan içten yanmalı motorlar kullanır. Kanatların çırpılması için ise genellikle çeşitli mekanik sistemler ve menteşe mekanizmaları kullanılır. Ornithopter teknolojisi, hava araştırmalarından insansız hava araçlarına, hafif taşımalardan gözetim uygulamalarına kadar bir dizi uygulama alanında potansiyele sahiptir. Hafif ve manevra kabiliyeti yüksek olmaları, özellikle dar veya zorlu alanlarda kullanılmalarını sağlar. Ornithopterlerle ilgili başlıca zorluklar arasında enerji verimliliği, stabilite kontrolü ve yük taşıma kapasitesi bulunmaktadır. Gelecekteki gelişmeler, daha etkili enerji kaynakları, gelişmiş kontrol sistemleri ve malzeme teknolojileriyle bu zorlukların üstesinden gelmeye odaklanabilir.
Ornithopterler, hafif ve çevik olmaları nedeniyle dar alanlarda kullanılabilir. Örneğin, doğal felaketlerden sonra hasar tespiti ve arama kurtarma operasyonları için ideal olabilirler. İnsansız hava araçları (İHA) teknolojisinin bir alt kategorisi olarak, askeri gözetimden tarım alanlarında kullanıma kadar geniş bir uygulama yelpazesine sahiptirler. 
Enerji verimliliği, kontrol sistemleri ve malzeme teknolojilerindeki ilerlemeler, ornithopterlerin gelecekteki gelişimini şekillendirebilir. İleri yapay zeka ve otonom uçuş sistemleri, ornithopterlerin daha karmaşık görevleri yerine getirmesine olanak tanıyabilir. Biyomimetik tasarım ilkelerinin daha derinlemesine anlaşılması, doğadan ilham alarak yapılan tasarımların optimize edilmesine yardımcı olabilir.
Tez çalışmasının teorik kısmında, ornithopterlerin dinamiklerini ve kontrol mekanizmalarını anlamak, optimize etmek ve modellemek amacıyla yapılan çalışmaları içermektedir.
Ornithopterin geometrisinin belirlenmesi ve çevresel şartların tespiti, uçuşun temel dayanak noktalarını oluşturmaktadır. Dinamik ve kinematik denklemler, hareket mekanizmasının fiziksel temelini tanımlar ve kritik parametreler arasındaki etkileşimleri incelemektedir. Ornithopterin kanat boyutları, açıları ve genel yapısal özellikleri, aerodinamik etkileşimleri, yükseklik kontrolünü ve istikrarlı uçuşu etkiler. Çevresel şartlar, uçuş performansını doğrudan etkileyen dış faktörleri içermektedir: hava yoğunluğu, sıcaklık, rüzgar hızı gibi. Dinamik denklemler, ornithopterin kütlesi, çevresel kuvvetler ve kanat çırpma mekanizmasının aerodinamik etkileşimleri üzerine odaklanmaktadır. Kinematik denklemler, ornithopterin hareketinin hızını ve açısal değişimini matematiksel bir formülle ifade etmektedir. Ornithopterin geometrik modellemesi, aracın fiziksel yapısını matematiksel bir çerçevede anlamak ve tanımlamak için temel bir adımdır. Kanat ve gövde modellemesi, aerodinamik etkileşimleri, yapısal dayanıklılığı ve uçuş performansını dengede tutmaktadır. Gövde modellemesi, aerodinamik performans, yapısal dayanıklılık ve ağırlık gibi faktörleri dengeleyerek uçuş kararlılığı ve enerji verimliliğini optimize etmektedir.
Kanat tasarımı, aerodinamik performansı etkileyen kritik bir unsurdur. Kanat profilinin seçimi, malzeme seçimi ve matematiksel hesaplar, ornithopterin uçuş performansını belirleyen önemli faktörlerdir. Yapılan çalışmada dinamik ve kinematik denklemler, ornithopterin dikey hareketini, etki eden kuvvetleri ve momentleri modellemektedir. Kanat çırpma hareketi ve gövde hareketi, sinüs dalga formu ve kontrol edilebilir açılar üzerinden tanımlanmıştır.
Bu tez çalışması, MATLAB kullanılarak ornithopter modelinin havada dengede kalma durumunu simüle etmeyi ve analiz etmeyi amaçlamaktadır. PID kontrolcüsü kullanılarak kanat hareketlerinin kontrolüyle bu simülasyon gerçekleştirilmiştir.
Simülasyon için ornithopterin fiziksel özellikleri, sürtünme katsayısı, yay katsayısı gibi parametreler belirlenmiştir. Ornithopterin kütlesi, kanat alanı, aerodinamik kuvvetler ve hava koşulları gibi faktörler de hesaba katılarak detaylı bir model oluşturulmuştur. Ornithopterlerin dinamik stabilitesi, kanatların çırpma açıları, kanat profilleri, ağırlık dağılımı ve genel yapısal tasarım gibi bir dizi faktör tarafından belirlenir.
Rezonans, bir sistemde uygulanan periyodik bir kuvvetin frekansının, sistemin doğal frekansıyla eşleştiği zaman meydana gelir. Ornithopterlerde, kanat çırpma frekansının, hava aracının yapısal ve aerodinamik özelliklerine bağlı doğal frekanslarıyla uyumlu hale getirilmesi, büyük genlikli salınımlara yol açabilir. Bu salınımlar, kontrol sistemleri üzerinde beklenmedik bir yük oluşturabilir ve enerji verimliliğini düşürebilir, uçuş güvenliğini tehlikeye atabilir ve aracın yapısal bütünlüğünü zedeleyebilir. Bu nedenle, rezonansın etkilerini anlamak ve minimize etmek, ornithopter tasarımı ve kontrol sistemlerinin geliştirilmesi için hayati önem taşır.
Bu çalışmada ornithopter üzerinde incelenen dinamik stabilite, bir ornithopterin uçuş sırasında karşılaştığı çeşitli dış etkilere karşı nasıl tepki verdiğini ifade eder.
MATLAB kullanılarak geliştirilen simülasyon modeli, ornithopterlerin dinamik stabilitesini ve rezonans durumlarını analiz etmek için bir platform sunar. Model, hava aracının farklı kanat çırpma frekanslarında ve çeşitli çevresel koşullarda nasıl tepki verdiğini görselleştirir. Ayrıca, PID kontrolörü, hava aracının hedeflenen yükseklik ve pozisyonu koruyabilmesi için kanat çırpma hareketini düzenler. Bu kontrol stratejisi, hava aracının stabilitesini iyileştirmek ve rezonans etkilerini sınırlamak için kritik bir araçtır.
Tez çalışması içerisinde hazırlanan MATLAB scriptleri ile ornithopterin dinamik modeli oluşturulmuştur. PID kontrolcü parametreleri analizler sonucu istenilen performansa uygun olarak belirlenmiştir. Simülasyon sonuçları, ornithopterin belirlenen hedef yükseklikte istikrarlı bir hareket sergilediğini göstermektedir. Analizlerde PID kontrol parametrelerinin etkisi değerlendirilmiş ve belirli parametre değerleri ile istenilen performans elde edilmiştir.
Bu tez çalışmasının önerileri arasında kanat hareketinin daha detaylı incelenmesi, sürtünme ve yay katsayılarının dikkatlice ayarlanması ve farklı hava koşullarının simülasyonları yer almaktadır. Bu öneriler, ornithopterin performansını artırmak ve çeşitli senaryolara daha etkili bir şekilde tepki vermesini sağlamak için değerlendirilebilir.

Abstract:
This research delves into a bio-inspired perspective within engineering, specifically focusing on wing-flapping-based stabilization inspired by the movement capabilities of birds and insects. The primary goal is to understand how the remarkable movement abilities observed in biological systems can be harnessed in machines. Integrating these natural abilities, especially the impressive maneuvering capabilities of birds and insects, is crucial in an engineering context.
The study explores mechanisms for adapting wing-flapping stabilization observed in birds and insects to engineering applications. Drawing inspiration from nature to enhance the performance, maneuverability, and energy efficiency of complex machines like aerial vehicles, drones, and robotic systems can contribute to innovative technologies.
Ornithopters, aerial vehicles designed inspired by bird flight mechanisms, can fly by flapping their wings, progressing with a bird-like motion. Advances in technology, the use of modern materials, and engineering knowledge have refocused attention on ornithopter designs. Electric motors, lightweight materials, and aerodynamic optimization play a significant role in contemporary ornithopter design.
Ornithopters manipulate airflow through wing flapping, inspired by birds, granting them high maneuverability. They typically use electric motors or internal combustion engines running on lightweight fuels, with various mechanical systems and hinge mechanisms employed for wing flapping. Ornithopter technology holds potential in a range of applications, from aeronautical research to unmanned aerial vehicles, and from lightweight transport to surveillance.
Due to their lightweight and agility, ornithopters can be utilized in confined spaces, making them ideal for tasks such as damage assessment and search and rescue operations after natural disasters. As a subset of Unmanned Aerial Vehicle technology, ornithopters find applications ranging from military surveillance to agriculture.
Advancements in energy efficiency, control systems, and material technologies can shape the future development of ornithopters. Advanced artificial intelligence and autonomous flight systems may enable ornithopters to perform more complex tasks. A deeper understanding of biomimetic design principles can aid in optimizing designs inspired by nature.
The theoretical part of the thesis involves studying, optimizing, and modeling the dynamics and control mechanisms of ornithopters. Determining the geometry of the ornithopter and environmental conditions establishes the fundamental basis for flight. Dynamic and kinematic equations define the physical foundation of the motion mechanism, examining interactions among critical parameters. The size, angles, and overall structural features of the ornithopter's wings impact aerodynamic interactions, altitude control, and stable flight. Environmental conditions encompass external factors directly affecting flight performance, such as air density, temperature, and wind speed. Dynamic equations focus on the mass of the ornithopter, environmental forces, and the aerodynamic interactions of the wing-flapping mechanism. Kinematic equations mathematically express the speed and angular change of the ornithopter's motion. Geometric modeling of the ornithopter is a fundamental step in understanding and defining the vehicle's physical structure mathematically. Wing and body modeling balance aerodynamic interactions, structural durability, and flight performance. Body modeling optimizes flight stability and energy efficiency by balancing factors such as aerodynamic performance, structural durability, and weight.
Wing design is a critical factor influencing aerodynamic performance. The selection of wing profile, material, and mathematical calculations are significant factors determining the flight performance of the ornithopter. The study involves dynamic and kinematic equations modeling vertical movement, forces applied, and moments. Wing flapping motion and body movement are defined through a sinusoidal waveform and controllable angles.
The initial phase of parameter selection draws inspiration from biological counterparts, such as birds and insects, whose flight dynamics serve as a blueprint for ornithopter design. Wing dimensions, flapping frequencies, and joint articulations are among the parameters directly influenced by the morphology and kinematics of these natural flyers. By closely emulating these features, the ornithopter model aims to replicate the agile and efficient flight observed in living organisms.
Aerodynamic performance heavily relies on specific parameters like wing shape, aspect ratio, and flapping motion characteristics. These elements are chosen based on aerodynamic principles governing lift generation, drag reduction, and overall flight stability. The goal is to strike a balance between mimicking biological traits and optimizing aerodynamic efficiency to achieve sustained and controlled flight.
This thesis aims to simulate and analyze the equilibrium of the ornithopter model in flight using MATLAB. The simulation, achieved through the control of wing movements using a PID controller, considers the physical properties of the ornithopter. Parameters such as mass, wing area, aerodynamic forces, and environmental conditions contribute to a detailed model.
MATLAB scripts prepared within the thesis create a dynamic model of the ornithopter. PID controller parameters are determined according to the desired performance through analysis. Simulation results indicate that the ornithopter exhibits stable motion at the specified target height. The impact of PID control parameters is evaluated in the analysis, achieving the desired performance with specific parameter values.
Ornithopter flight heavily relies on manipulating airflow through wing flapping to generate lift. The intricacies of aerodynamics, including the selection of wing profiles, angles, and overall structural design, significantly impact the vehicle's performance. The study delves into the aerodynamic principles guiding ornithopter flight, exploring how these factors influence stability, maneuverability, and energy efficiency.
Environmental conditions play a pivotal role in the flight performance of ornithopters. Parameters such as air density, temperature, and wind speed directly affect the vehicle's ability to generate lift and maintain stable flight. The research investigates how variations in these environmental factors impact ornithopter dynamics. This includes an in-depth analysis of how the ornithopter responds to changes in weather conditions, contributing to a comprehensive understanding of its adaptability and potential limitations in different scenarios.
Theoretical aspects of the thesis involve dynamic modeling and control mechanisms to simulate ornithopter behavior. This encompasses the development of mathematical equations that define the ornithopter's motion, response to external forces, and interactions between critical parameters. The study also delves into the role of control mechanisms, such as the PID controller, in stabilizing and controlling the ornithopter's flight. Understanding the dynamic modeling and control mechanisms is crucial for predicting and optimizing the vehicle's behavior in diverse operational conditions.
This study delves into dynamic stabilization and resonance phenomena within the context of bio-inspired engineering. Dynamic stability refers to a system's ability to maintain or return to a stable flight path in response to disturbances, crucial for the maneuverability and control of flapping-wing aircraft like ornithopters. Resonance occurs when the frequency of periodic forces coincides with the system's natural frequency, potentially leading to large amplitude oscillations. Understanding and mitigating resonance in ornithopters is essential to enhance their stability and performance in various flight conditions.
The research identifies key challenges faced by ornithopter technology, including energy efficiency, stability control, and payload capacity. A forward-looking analysis explores potential avenues for overcoming these challenges through advancements in energy sources, control systems, and material technologies. The discussion extends to the future prospects of ornithopters, considering how developments in artificial intelligence and autonomous flight systems could unlock new capabilities and applications. Additionally, the study emphasizes the need for a deeper understanding of biologically inspired design principles to further optimize ornithopter performance.
The choice of materials in ornithopter design is pivotal, and the selection of carbon fiber holds particular importance. Carbon fiber is renowned for its exceptional strength-to-weight ratio, making it an ideal candidate for aerospace applications. In the context of ornithopters, this material choice contributes significantly to the overall performance and efficiency of the vehicle.
Carbon fiber's inherent properties, such as high tensile strength and low density, play a crucial role in achieving the lightweight structure necessary for ornithopter flight. The material's strength allows for the construction of robust wings that can withstand the dynamic stresses associated with flapping motion. Moreover, its lightweight nature minimizes the overall mass of the ornithopter, directly impacting factors such as energy consumption and maneuverability.
Another key advantage of carbon fiber is its versatility in shaping complex aerodynamic structures. Ornithopter wings require intricate designs to mimic the flapping motion of avian counterparts accurately. Carbon fiber's flexibility in design allows engineers to create wings with optimal shapes, ensuring efficient airflow manipulation and lift generation.
Recommendations in this thesis include a more detailed examination of wing movement, careful adjustment of friction and spring coefficients, and simulations under different weather conditions. These suggestions can be evaluated to enhance the performance of the ornithopter and enable more effective responses to various scenarios.