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羽ばたき解析 バネによる翼上半角保持

Bird01では滑空時の翼上半角保持にバネを使う方式を採用しています。
現在、搭載されているバネの状況を計測し、解析してみました。



表の上部データが現在Bird01に搭載されているバネに関するものです。
「揚力による上げモーメント」と「バネによる下げモーメント」がほぼ等しくなっている上半角18度で翼が保持され滑空することになります。これは、テスト飛行でもだいたいこの辺で保持されているので、この計算が妥当だと思われます。
ここで、最大はね上げ(25°)時にバネ長がバネ最大長を超えていることです。
バネ最大長はメーカースペックである最大荷重から計算したもので、現在搭載しているバネにはかなり過酷な使われ方をしていることを意味します。
そこで、バネを変更、バネ取付情報を変更してベターなパターンをさぐったのが、表の下部データです。
バネ取付情報の角度は保持上半角＋３０度ぐらいがベターなことが解りました。
羽ばたき時のモーター効率
バネ取付情報の角度がプラスと言うことは、羽ばたき上げる時にバネを伸ばし、エネルギーをためて、羽ばたき下げる時にこれを放出していることになります。
ここで、羽ばたく場合の翼に掛かる力を考えると、羽ばたき下げる時は大きな力が掛かり、羽ばたき上げる時は力が少なくなります。
つまり、モーターにとっては、ある周期(Bird01の場合ギヤー比は26.7:1なので、26.7回転に１回)でトルクが上がり下がりすることになります。
アンプは勿論このトルク変化を意識していないので、モーター回転も波打ち、モーター効率は悪くなると思われます。
今回の「バネによる翼上半角保持」はトルク変動を軽減し、モーターの効率を上げる側に寄与すると思われます。
勿論、バネを伸び縮みさせるわけだから、それによるエネルギー損失はあります。
ちなみに、先日発表されたSmartBird開発物語の動画でホールセンサーを使い翼の羽ばたき位置をセンシングし、それによってモーターのコントロールと翼端のピッチコントロールをしているようです。
たぶん、羽ばたき下げる時にスラストアップし、羽ばたき上げる時にスラストダウンしているのだと思われます。このことでモーター効率が上がったと言うことでしょう。
ですから、この「バネによる翼上半角保持」もモーター効率向上に効果があると考えています。

羽ばたき 解析

飛行会で撮影したBird01と、多摩動物公園で撮影した鳥との羽ばたきを比べてみました。


Bird01、鳩、クロトキを210fpsのハイスピード動画で撮影し、その動画から羽ばたき１回分の静止画を取り出してみました。Bird01の羽ばたきが鳥の離陸時に印象が近いので、鳥は離陸シーンを撮影しています。
また、静止画は離陸直後ではなく、２～３回羽ばたいた後をサンプルしました。
Bird01






鳩






クロトキ









まず、スペックデータを記します。ただし、実際撮影した鳥のデータは採れないのでwebからの参考データです。
Bird01
　翼開長：846mm
　翼面積：15.7dm2
　体重：220g
　翼面荷重：14.0g/dm2
鳩
　翼開長：668mm
　翼面積：6.2dm2
　体重：390g
　翼面荷重：62.9g/dm2
クロトキ
　翼開長：1344mm
　翼面積：26.9dm2
　体重：1500g
　翼面荷重：55.8g/dm2
静止画にタイムを記しました。29fpsで再生しているので、羽ばたき周波数が計算できます。
羽ばたき周波数(Hz)
　Bird01：8.037
　鳩：9.052
　クロトキ：4.718
羽ばたき下げ時間比率
　Bird01：0.556
　鳩：0.459
　クロトキ：0.543
羽ばたき方向
鳥もBird01も後上から前下に羽ばたいている。Birdは翼付け根のT方向(前後方向)の曲げ剛性が小さいので上下に羽ばたいているが前後に翼端は移動している。
鳥は、離陸直後は前後に羽ばたいているが徐々に上下方向に移行していくようです。
迎角
鳥もBird01も風圧で、羽ばたき下げ時は捻り下がり、上げ時には捻り上がっている。
鳥は羽ばたき上げ時、翼をたたみぎみにして羽ばたき効率を上げているようです。
Birdは捻り剛性が小さいので羽ばたき下げ時、大きく捻り下がっている。
これが、羽ばたき飛行時にダウンセッティングになっている理由のようです。
ただし、Birdは羽ばたき上げ時に翼をたたむことができないので、この大きな捻り下げがないと羽ばたき効率が落ちて飛行できなくなると思われます。
羽ばたき周波数
翼開長が大きいほど、翼面荷重が小さいほど、羽ばたき周波数は小さくなる傾向にあります。
Bird01は羽ばたき上げ時の翼たたみ機構がないので、羽ばたき効率が悪く、羽ばたき周波数は大きくなっているようです。