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Sharp turning maneuvers with avian-inspired wing and tail morphing

Résumé

Flight in dense environments, such as forests and cities requires drones to perform sharp turns. Although fixed-wing drones are aerodynamically and energetically more efficient than multicopters, they require a comparatively larger area to turn and thus are not suitable for fast flight in confined spaces. To improve the turning performance of winged drones, here we propose to adopt an avian-inspired strategy of wing folding and pitching combined with a folding and deflecting tail. We experiment in wind tunnel and flight tests how such morphing capabilities increase the roll rate and decrease the turn radius - two measures used for assessing turn performance. Our results indicate that asymmetric wing pitching outperforms asymmetric folding when rolling during cruise flight. Furthermore, the ability to symmetrically morph the wing and tail increases the lift force, which notably decreases the turn radius. These findings pave the way for a new generation of drones that use bird-like morphing strategies combined with a conventional propeller-driven thrust to enable aerodynamic efficient and agile flight in open and confined spaces.

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Concepts associés (26)
Wing
A wing is a type of fin that produces lift while moving through air or some other fluid. Accordingly, wings have streamlined cross-sections that are subject to aerodynamic forces and act as airfoils. A wing's aerodynamic efficiency is expressed as its lift-to-drag ratio. The lift a wing generates at a given speed and angle of attack can be one to two orders of magnitude greater than the total drag on the wing. A high lift-to-drag ratio requires a significantly smaller thrust to propel the wings through the air at sufficient lift.
Vol (aéronautique)
thumb|Un « plus lourd que l'air » en vol : un Boeing 787 de Royal Jordanian Airlines prêt à atterrir à Londres-Heathrow en 2015. Le vol, dans le cadre de l'aéronautique, consiste à compenser l'attraction exercée par une planète sur un aéronef afin qu'il en quitte la surface. La Terre étant pourvue d'une atmosphère, le vol est possible suivant l'une des techniques suivantes : être plus léger que l'air ambiant ; c'est le domaine des aérostats ; utiliser sa vitesse de déplacement par rapport à l'air pour créer une portance aérodynamique; c'est le domaine des aérodynes ; utiliser la réaction à une projection.
Portance (aérodynamique)
La portance aérodynamique est la composante de la force subie par un corps en mouvement dans un fluide qui s'exerce perpendiculairement à la direction du mouvement (au vent relatif). Cela concerne les aérodynes (engins plus denses que l'air). lang=fr |vignette |304x171px Un corps placé dans un écoulement d'air (ou d'eau) subit une force aérodynamique (ou hydrodynamique). Pour l'analyse, on décompose cette force en une composante parallèle au vent relatif : la traînée (voir aussi Aérodynamique), et une composante perpendiculaire au vent relatif : la portance.
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Method for wind harvesting and wind rejection in flying drones

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Lumped Drag Model Identification and Real-Time External Force Detection for Rotary-Wing Micro Aerial Vehicles

Alcherio Martinoli, Lucas Cédric Wälti

This work focuses on understanding and identifying the drag forces applied to a rotary-wing Micro Aerial Vehicle (MAV). We propose a lumped drag model that concisely describes the aerodynamical forces the MAV is subject to, with a minimal set of parameters ...
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Accurate and agile flight with winged drones

Valentin Wüest

Drones hold promise to assist in civilian tasks. To realize this application, future drones must operate within large cities, covering large distances while navigating within cluttered urban landscapes. The increased efficiency of winged drones over rotary ...
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