Name: autopilot sensors for uav flight control
Uploaded: 2023-04-30T07:05:02.000Z
Duration: 8 min 36 s
Channel: JoVE

سيوضح هذا الإجراء معايرة أجهزة استشعار IMU و ADS وتكاملها مع أجهزة كمبيوتر الطيران ويوضح استخدام الحصول على بيانات INS و ADS المتكاملة ومعالجتها باستخدام منشأة طيران خارجية. تم عرض التحكم في الطيران من طرف إلى طرف لرباعي يعمل في منشأة اختبار الطيران الشبكية M-Air بجامعة ميشيغان. 
1. معايرة المستشعر: وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) 
تكون معايرة المستشعر أكثر فاعلية عند إجراؤها بدعم من معدات اختبار عالية الجودة. بالنسبة للوحدة IMU ذات 3 محاور ، قم بمعايرة الدوران ومقياس التسارع لكل محور على حدة باستخدام جدول معدل الدقة ( الشكل 6 ). يدور جدول المعدل بدقة بسرعة زاوية يحددها المستخدم. يصدر المستخدم سلسلة من أوامر المعدل ، حيث تقوم IMU بجمع البيانات اللازمة لمعايرة المستشعر. لذلك تتكرر تجربة المعايرة أحادية المحور الموضحة أدناه ثلاث مرات ، مرة واحدة لكل محور مستشعر IMU (x ، y ، z ). 
<ol>
	<li>قم بتركيب IMU على جدول المعدلات بحيث يتم توجيه محور المستشعر الذي تتم معايرته شعاعيا إلى الداخل أو الخارج. </li>
	<li>قم بقياس المسافة من مركز الطاولة إلى مركز IMU. هذا هو نصف القطر المرجعي للحركة الدائرية. </li>
	<li>قم بتركيب كمبيوتر DAQ ووحدة IMU والبطارية مباشرة على جدول الأسعار ، وقم بتوصيل جميع المكونات مباشرة. </li>
	<li>قم بإعداد برنامج لجمع بيانات معدل وتسريع IMU. </li>
	<li>في حين أن جدول المعدل بلا حراك ، فإن قيم الدوران القياسي ومقياس التسارع. </li>
	<li>قم بإجراء سلسلة من التجارب بمعدلات دوران مختلفة لجدول المعدل الثابت الإيجابي والسلبي. من المتوقع أن تكون معايرة المستشعر خطية. الحصول على البيانات بمعدلات 0 (خط الأساس) و ±15 و ±30 و ±60 درجة / ثانية. يمكن أن يدور الجدول بمعدلات أسرع ، لكن القيم المحددة كافية لتغطية الإشارات المتوقعة في عمليات طيران الطائرات بدون طيار النموذجية. </li>
	<li>اجمع البيانات من معدل الدوران ومقياس التسارع الذي تتم معايرته لكل قيمة سرعة زاوية مدرجة أعلاه. يجب تحديد كل معدل دوران قبل جمع البيانات لضمان الحفاظ على معدل ثابت. جمع البيانات على مدى 10 - 15 ثانية، بافتراض أن معدل جمع البيانات لا يقل عن 30 - 100 هرتز، لضمان إمكانية تصفية الاضطرابات من قيم المعايرة النهائية. </li>
	<li>افصل IMU وقم بإزالته من جدول المعدلات وتوجيهه بحيث يشير مقياس التسارع الذي تتم معايرته إلى أسفل. </li>
	<li>اجمع بيانات +1g من خلال نظام الكمبيوتر. </li>
	<li>اقلب IMU بحيث يشير مقياس التسارع الذي تتم معايرته إلى الأعلى وجمع بيانات -1g من خلال نظام الكمبيوتر. من السهل الحصول على نقاط البيانات الإضافية هذه ويمكن استخدامها للتحقق من صحة كل منحنى معايرة خطي تم الحصول عليه من بيانات جدول المعدلات عند ±1g. تعتبر قيمة 1g مهمة بشكل خاص للمعايرة بدقة لأن بيانات مقياس التسارع الخطي تستخدم لتحديد الاتجاه "لأسفل" بالنسبة لجسم المروحية الرباعية. </li>
	<li>معالجة البيانات. تطوير منحنى خطي يناسب نقاط بيانات الدوران ومقياس التسارع ، والتي تربط الفولتية المكتسبة بمعدلات دوران وحدة MKS (الجيروسكوب) والتسارع الخطي (مقياس التسارع). تأكد من أن خطأ المعايرة منخفض بما فيه الكفاية. لاحظ أن جدول المعدل يوفر تحكما مباشرا في السرعة الزاوية لمعايرة الدوران. يمكن حساب التسارع المقابل ، a ، الناجم عن قوة الجاذبية المركزية للحركة الدائرية ، من السرعة الزاوية المحددة ω ونصف القطر r من IMU من مركز جدول المعدل: 
	<img src="/files/ftp_upload/10470/10470eq17.jpg"> (9)</li>
</ol>
2. تجارب الطيران الرباعي 
بالنسبة لسلسلة تجاربنا النهائية ، قمنا بتركيب نظام IMU و pitot على جهاز رباعي (كما هو موضح في الشكل 7 ) ونطير في منشأة الطيران الشبكية M-Air بجامعة ميشيغان. يتم تثبيت السيارة من خلال منفذ حزمة الطيار الآلي مفتوح المصدر Ardupilot إلى Beaglebone Blue (لا يتم استخدام المعالجات الدقيقة) وتكوينها قبل الرحلة من خلال برنامج المحطة الأرضية Mission Planner. تمكن واجهة جهاز الإرسال / الاستقبال للتحكم اللاسلكي الطيار من توفير أوامر "الحلقة الخارجية" لارتفاع المحور الرباعي ، والحركة من جانب إلى آخر ، والتوجه إلى قانون التحكم في الطيران "الحلقة الداخلية" الخاص ب Ardupilot الذي ينظم زاوية لفة المحور الرباعي ، وزاوية الملعب ، وزاوية الانعراج (الاتجاه) ، والارتفاع. [14] 
نظرا لأن المحور الرباعي لا يتطلب ردود فعل على السرعة الجوية للاستقرار ، فإن Ardupilot يعتمد فقط على بيانات IMU بالإضافة إلى مستشعر الضغط للارتفاع ، والذي تتم معايرته أثناء تهيئة البرنامج بالنسبة لضغط ارتفاع الإقلاع ، لتحقيق الاستقرار في الرحلة بالنظر إلى مدخلات الطيار. يتطلب الامتداد المستقل تماما ل Ardupilot بيانات موقع بالقصور الذاتي من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أو نظام استشعار آخر (على سبيل المثال ، التقاط الحركة عالي السرعة). نظرا لأن تجاربنا أجريت باستخدام الرباعيات في بيئات مقيدة ، فإن نظام بيانات الهواء pitot ليس ضروريا. ومع ذلك ، فإن أنظمة pitot ضرورية للطائرات ذات الأجنحة الثابتة والمروحيات المتعددة التي تحاول مسارات طيران دقيقة بعد بيئات عاصفة غير مؤكدة. [15, 16] ينقسم إجراء اختبار الطيران إلى ثلاث مراحل: ما قبل الرحلة ، واختبار الطيران ، وما بعد الرحلة. يشبه هذا التقسيم الفرعي الإجراءات التي يتبعها طيارو الطائرات المأهولة من خلال استخدام قوائم مراجعة قمرة القيادة الراسخة. [17]
ما قبل الرحلة
<ol>
	<li>اشحن البطاريات واختبارها قبل التثبيت. </li>
	<li>قم بإنشاء بيئة اختبار واضحة (داخلية أو خارجية) ، وحدد المنطقة للتأكد من بقاء الأشخاص غير المعنيين واضحين. </li>
	<li>تأكد من إطلاع فريق اختبار الطيران وتأهيله (تدريبه) لإجراء الاختبار المخطط له. </li>
	<li>إذا كنت تحلق في الهواء الطلق ، فتأكد من تسجيل الطائرة والطيار واعتمادهما وفقا للوائح إدارة الطيران الفيدرالية. مطلوب ما لا يقل عن ثلاثة أشخاص لإجراء اختبار في الهواء الطلق: طيار في القيادة (PIC) ، ومراقب بصري (VO) ، ومشغل محطة أرضية. بالنسبة لاختباراتنا ، سوف يطير الرباعي في منشأة شبكية في الهواء الطلق. سيضمن اثنان من مشغلي الحبل أن السيارة لا يمكن أن تطير بعيدا للاختبار الداخلي. لاحظ أنه لا توجد لوائح محددة لإدارة الطيران الفيدرالية تنطبق على اختبار الطيران الشبكي لأن الطائرة بدون طيار لا تشغل مساحة خارجية مفتوحة. </li>
	<li>قم بتشغيل كمبيوتر الرحلة والكمبيوتر المحمول للمحطة الأرضية. </li>
	<li>اجمع البيانات الأولية للتأكد من أن المستشعرات تعمل بشكل صحيح. يجب أن يضمن الطيار وفريق الدعم فهما واضحا لخطة الرحلة وأن إجراءات الإجهاض / الاسترداد موجودة. </li>
</ol>
اختبار الطيران
<ol start="6">
	<li>ابدأ الحصول على البيانات في المحطة الأرضية. </li>
	<li>تأكد من أن منطقة الرحلة خالية / آمنة. </li>
	<li>دفاعات / محركات الذراع. </li>
	<li>بدء تسلسل اختبار الطيران. </li>
	<li>قم بإجراء اختبار الطيران، مع استدعاء الطيار لكل خطوة، بما في ذلك كحد أدنى: 
	الإقلاع (الإطلاق) ، وتغييرات وضع الطيران ، وأهداف أو مناورات نقطة الطريق المعروفة ، والهبوط. تأكد من أن جميع الموظفين في المهمة وتنفيذ إجراءات الطوارئ (إنهاء الرحلة) حسب الحاجة. نقاط الطريق والمسارات خاصة بكل رحلة. بالنسبة لتجربة الدروب الرباعي ، نتبع أنماطا متقاطعة ومستطيلة عدوانية إلى حد ما على ارتفاع واتجاه ثابتين ، متبوعا بتسلق / نزول ثم تسلسل انعراج. يمكن تحديد المعدلات الزاوية والتسارع الخطي في هذه الرحلة بسهولة في البيانات ، وهي تؤكد أن IMU ووحدة التحكم في الطيران تعمل بشكل صحيح. </li>
</ol>
ما بعد الرحلة
<ol start="11">
	<li>قم بنزع سلاح المحركات للتأكد من أنها لن يتم تشغيلها عن طريق الخطأ. </li>
	<li>حفظ وتنزيل بيانات الرحلة إلى التخزين الأرشيفي. </li>
	<li>سجل الرحلة بالكلمات حسب ملاحظات الطيار وVO ومشغل المحطة الأرضية. </li>
	<li>افحص البطاريات وشحنها حسب الحاجة. </li>
	<li>استعادة المعدات وتنظيف المنطقة للراكب التالي. </li>
</ol>

وصفنا هنا أنظمة الاستشعار والحصول على البيانات وعملية تصفية الإشارات المطلوبة لتمكين التحكم في الطيران في الوقت الفعلي للطائرات ذات الأجنحة الثابتة والأجنحة الدوارة. يعد خط أنابيب البيانات هذا عنصرا أساسيا في جميع أنظمة الطيار الآلي للطائرات المأهولة وغير المأهولة. تتطلب المروحيات المتعددة طيارين آليين لتحقيق الاستقرار ، وتعتمد الطائرات من جميع الأنواع بشكل حاسم على الحصول على البيانات في الوقت الفعلي والتحكم في الطيران لجميع العمليات بينما نتحرك نحو أنظمة الطائرات المستقلة بشكل متزايد التي تجري مهام تنطوي على جمع البيان...

التحكم في الطيران في الوقت الفعلي: معايرة المستشعر المضمن والحصول على البيانات

المصدر: إيلا إم أتكينز ، قسم هندسة الطيران ، جامعة ميشيغان ، آن أربور ، ميشيغان 
نظرة عامة
يسمح الطيار الآلي بتثبيت الطائرات باستخدام البيانات التي تم جمعها من أجهزة الاستشعار الموجودة على متن الطائرة والتي تقيس اتجاه الطائرة وسرعتها الزاوية وسرعتها الجوية. يمكن تعديل هذه الكميات بواسطة الطيار الآلي بحيث تتبع الطائرة تلقائيا خطة طيران من الإطلاق (الإقلاع) حتى الاسترداد (الهبوط). يتم جمع بيانات أجهزة استشعار مماثلة للتحكم في جميع أنواع الطائرات ، من طائرات النقل التجارية الكبيرة ذات الأجنحة الثابتة إلى طائرات الهليكوبتر الصغيرة متعددة الدوارات ، مثل المروحية الرباعية بأربع وحدات دافعة. 
مع الوضع بالقصور الذاتي والسرعة التي يتم التقاطها بواسطة جهاز استشعار مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، يمكن نظام التحكم في الطيران في الوقت الفعلي للطيار الآلي طائرة متعددة المروحيات أو الطائرات ذات الأجنحة الثابتة من تثبيت موقفها وسرعتها الجوية لاتباع مسار محدد. يعد تكامل المستشعر والمعايرة والحصول على البيانات وتصفية الإشارات من المتطلبات الأساسية للتجارب في التحكم في الطيران. 
نصف هنا مجموعة أجهزة استشعار توفر البيانات اللازمة للتحكم في الطيران. يتم وصف واجهات الإشارة والحصول على البيانات على نظامين أساسيين مختلفين للكمبيوتر المضمن، ويتم تلخيص معايرة المستشعر. يتم تطبيق المتوسط المتحرك أحادي القناة ومرشحات الوسيط على كل قناة بيانات لتقليل ضوضاء الإشارة عالية التردد والقضاء على القيم المتطرفة. 
في هذه التجربة ، يتم عرض الحصول على البيانات ومعايرة المستشعر للتحكم في الطيران في الوقت الفعلي. وصفت العديد من الأوراق المنشورة مبادئ جمع بيانات المستشعر والتحكم فيها ، وركزت مؤخرا على أجهزة استشعار المركبات الجوية الصغيرة غير المأهولة (UAVs) [1-3].

معايرة المستشعر
يظهر مثال على مخطط معايرة الدوران في الشكل 8 . في هذه الحالة ، يصدر معدل الدوران قراءة اسمية (سرعة صفرية) تبلغ 2.38 فولت ، وتم جمع بيانات جهد الدوران لست سرعات دوران مختلفة تم قياسها بالدرجات في الثانية ، وكان المنحنى الخطي مناسبا لهذه البيانات. كما هو موضح ، يوفر الملاءمة الخطية تقريبا جيدا جدا لجميع نقاط البيانات التي تم جمعها. 
نتائج اختبار الطيران
يوضح الأشكال 9 الب...

Source: Ella M. Atkins, Department of Aerospace Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, MI
Overview
Autopilot allows aircraft to be stabilized ...

تحقق الطائرة ذات الأجنحة الثابتة رحلة ثابتة من خلال موازنة أربع قوى: الرفع الديناميكي الهوائي ، والسحب الديناميكي الهوائي ، ودفع نظام الدفع والوزن. لتحقيق رحلة مستقرة ، يجب أيضا موازنة اللحظات حول جميع المحاور الثلاثة ، محور اللف والميل والانعراج. يتم تعريف جميع الدورات على أنها زوايا حول هذا المحور مع تغييرات في محور الدوران تسبب حركة من جانب إلى آخر ، وتغييرات في محور الملعب تسبب حركة إمالة للأمام والخلف وتغيرات في محور الانعراج مما يؤدي إلى تغييرات في الاتجاه. من أجل تثبيت الطائرة في مواجهة أي تغييرات مفاجئة مثل هبوب الرياح ، يصدر نظام التحكم في الطيران أوامر سطح المحرك والتحكم التي يجب تحديثها في الوقت الفعلي. وبالتالي ، يستخدم نظام التحكم أجهزة استشعار مختلفة للحفاظ على قياس دقيق للارتفاع الحالي ، مما يعني زوايا التدحرج والميل والانعراج ، بالإضافة إلى سرعة الهواء. بمجرد الحصول على البيانات من المستشعرات ، يتم تصفية الإشارات لتقليل تأثير الضوضاء والقيم المتطرفة على جودة البيانات المعالجة. ثم يتم تجميع البيانات في تقدير كامل لحالة الطائرة واستخدامها للتحكم في الطيران. تعتمد كل من الطائرات ذات الأجنحة الثابتة والمروحيات المتعددة على نظام التحكم هذا لمراقبة ارتفاع الطائرة والتحكم فيه. يستخدم كلاهما أيضا مسح المستشعر المعروف باسم وحدة القياس بالقصور الذاتي أو IMU. تتكون IMU عادة من ثلاثة أنواع من أجهزة الاستشعار: مقاييس التسارع لقياس التسارع الخطي ، ومعدلات الجيروسكوبات لقياس السرعة الزاوية ومستشعرات المجال المغناطيسي لقياس اتجاه وقوة المجال المغناطيسي المحلي. غالبا ما يقترن IMU بنظام GPS ويتم تركيبه بالقرب من مركز ثقل الطائرة مع محاذاة محور المستشعر مع محور جسم الطائرة. في هذا المختبر ، سنوضح معايرة IMU بسيط باستخدام جدول معدل الدقة. سنقوم بعد ذلك بتركيب IMU المعايرة على مروحية متعددة وإجراء اختبار طيران لعرض البيانات في الوقت الفعلي وتصفية البيانات. في الجزء الأول من التجربة ، سنقوم بمعايرة IMU الذي يحتوي على معدل الدوران ومقياس التسارع لكل محور باستخدام جدول معدل الدقة. يدور جدول الأسعار بدقة بسرعة يحددها المستخدم باتباع سلسلة من أوامر المعدل. هذا يمكننا من تحديد العلاقة بين قراءة الجهد والسرعة. للبدء ، قم بتركيب IMU على جدول المعدلات باستخدام مسامير وتوجيهه مثل أن يكون محور المستشعر الذي تتم معايرته في هذه الحالة المحور X ، شعاعيا مباشرة إلى الداخل أو الخارج. قم بقياس المسافة من مركز الطاولة إلى مركز IMU واستخدم هذا القياس كنصف قطر مرجعي للحركة الدائرية. يتم تثبيت IMU على لوحة الحصول على البيانات. قم بتوصيل المكونات مباشرة. الآن ، قم بإعداد البرنامج لجمع بيانات معدل IMU والتسارع. قم بإجراء سلسلة من التجارب بمعدلات دوران مختلفة لجدول المعدل الثابت الموجب والسالب مع استخدام الصفر كقياس أساسي. بينما يكون جدول المعدل بلا حراك ، سجل معدل الدوران ومقياس التسارع بقيم S. ثم ابدأ الاختبار واجمع البيانات. بمجرد اختبار جميع السرعات الزاوية لهذا الاتجاه ، افصل IMU وأعد وضعه بحيث يكون مقياس التسارع موجها لأعلى. أعد إرفاقه ، ثم ابدأ الاختبار لجمع بيانات -1 جيجابايت. بعد ذلك ، اقلب IMU بحيث يتم توجيه مقياس التسارع لأسفل وجمع بيانات +1 G. عند الانتهاء من معايرة المحور x ، قم بإعادة وضع IMU بحيث يكون مستشعر المحور z شماعيا للخارج وكرر جميع الاختبارات ، مع تذكر وضع IMU لأعلى ولأسفل لمعايرة مقياس التسارع. قم بتنفيذ نفس الإجراء لمستشعر المحور y. في الجزء التالي من التجربة ، سنقوم بتركيب IMU على الرباعي ونطيره داخل منشأة طيران شبكية. تمكن واجهة جهاز استقبال جهاز التحكم الشعاعي الطيار من توفير أوامر للارتفاع والتوجيه وزاوية التدحرج وزاوية الملعب وزاوية الانعراج. قبل البدء ، اشحن جميع البطاريات واختبر المكونات قبل التثبيت على المحور الرباعي. ثم قم بإعداد الرحلة مع التأكد من إطلاع ثلاثة أشخاص على الأقل ، الطيار المسؤول ، والمراقب البصري ، ومشغل المحطة الأرضية على خطط الرحلة. أحضر المحور الرباعي إلى منشأة الطيران الشبكية وضعه على لوح هبوط مسطح. يبدأ اختبار الطيران بالإقلاع من الأصل والصعود إلى ارتفاع 1.5 متر. بعد ذلك، سننفذ نمط طيران بطول مترين مربعين بسرعة مرجعية تبلغ 0.5 m/s. يتوقف المحور الرباعي مؤقتا قبل كل تغيير في الموضع. ثم سننفذ مقاطع من عمليات اجتياز السرعة الأعلى بسرعة 0.5 و1 و1.5 م/ث لتوضيح كيفية تأثير السرعة السريعة على التجاوز. لبدء اختبار الطيران ، ابدأ الحصول على البيانات على المحطة الأرضية. بعد التأكد من أن منطقة الرحلة خالية ، قم بتسليح المحركات. الآن ، ابدأ تسلسل اختبار الطيران مع استدعاء الطيار لكل خطوة قبل تنفيذها بدءا من الإقلاع. تأكد من الإعلان عن جميع تغييرات وضع الطيران أو أهداف نقطة الطريق المعروفة أو المناورات. بعد تنفيذ خطة الرحلة ، قم بتنبيه بقية فريق الطيران بالهبوط والهبوط النهائي للمروحية الرباعية. ثم قم بنزع سلاح المحركات الموجودة على المروحية الرباعية. احفظ وقم بتنزيل جميع بيانات الرحلة وقم بتسجيل الرحلة في سجل الرحلة. أخيرا ، استرجع جميع المعدات وقم بإخلاء المنطقة للمستخدم التالي. الآن دعونا نفسر النتائج. بدءا من بيانات المعايرة الخاصة ب IMU ، نعرض أولا مخططا لسرعة الدوران لجدول المعدل مقابل جهد الدوران. لاحظ أن جدول المعدل يوفر تحكما مباشرا في السرعة الزاوية لمعايرة الدوران. يتيح التوافق الخطي للبيانات حساب السرعة من جهد الدوران. في هذه الحالة ، يصدر معدل الدوران قراءة اسمية للسرعة صفرية تبلغ 2.38 فولت. أخيرا ، دعونا نلقي نظرة على بيانات الرحلة. نعرض هنا مجموعة بيانات التسارع الجانبي لمدة 30 ثانية للدروس الرباعية باستخدام IMU المعايرة. يوضح هذا المخطط قياسات التسارع الأولية والمفلترة من IMU مقابل الوقت. تمت تصفية البيانات لإزالة الضوضاء من القياس. يمكنك أن ترى أن بيانات الضوضاء الأولية مخففة. ومع ذلك ، يوجد تأخير زمني في البيانات التي تمت تصفيتها باختصار ، تعلمنا كيف تستخدم أنظمة التحكم في الطائرات أجهزة استشعار مختلفة لقياس الارتفاع الحالي والسرعة الجوية أثناء الطيران. ثم قمنا بمعايرة معدل الدوران ومقياس التسارع وقمنا بتركيبهما على المحور الرباعي قبل إجراء تجارب الطيران.

real-time-flight-control-embedded-sensor-calibration-data

Education

JoVE Science Education

Engineering

الهندسة

Aeronautical Engineering

هندسة الطيران

Real-time Flight Control: Embedded Sensor Calibration and Data Acquisition

autopilot sensors for uav flight control

Autopilot flight control depends on onboard sensors that measure an aircraft’s orientation, angular velocity, and airspeed. These measurements let the system stabilize the aircraft and help it follow a flight plan from takeoff through landing.

The same kind of sensor data is used in many aircraft, including large fixed-wing transport planes and small multirotor helicopters such as quadcopters with four thruster units. When inertial position and velocity are captured with a sensor such as the Global Positioning System (GPS), the autopilot can help a multicopter or fixed-wing aircraft hold its attitude and airspeed while following a set trajectory.

Accurate flight control experiments also require sensor integration, calibration, data acquisition, and signal filtering. The sensor suite in this work provides the data needed for flight control, and the signal interfaces and data acquisition methods are shown on two different embedded computer platforms.

Sensor calibration is summarized as part of the setup. To clean the data, single-channel moving average and median filters are applied to each channel. These filters reduce high-frequency noise and remove outliers, which helps prepare the measurements for real-time flight control.

Autopilot Sensors for UAV Flight Control

aerodynamic performance of a model aircraft: the dc-6b

aerodynamic-performance-of-a-model-aircraft-the-dc-6b

Wind Tunnel Testing of a DC-6B Model

A low-speed wind tunnel can be used to study the aerodynamics of a DC-6B model aircraft. It helps measure how the airplane performs and how stable it is in flight. This type of testing is useful for understanding aircraft behavior under controlled airflow. The model used here has a removable tail and a 6-component external aerodynamic force balance. That setup lets researchers measure lift coefficient (CL), drag coefficient (CD), pitching moment coefficient (CM), and yaw moment coefficient...

propeller characterization: variations in pitch, diameter, and blade number on performance

propeller-characterization-variations-pitch-diameter-blade-number-on

Propeller Slip and Blade Design Effects

Propellers are twisted airfoils used to move aircraft and watercraft. The chord angle changes along the radial station of the propeller, which affects how the blade pushes air. Because propellers are important in propulsion systems, engineers study them to help design high-performance vehicles. A key propeller feature is pitch, or twist. Pitch is usually measured as a length and describes the theoretical distance a propeller would move through the air in one full revolution. In real...

airfoil behavior: pressure distribution over a clark y-14 wing

airfoil-behavior-pressure-distribution-over-a-clark-y-14-wing

Measuring Lift with a Clark Y-14 Airfoil

A Clark Y-14 airfoil is used to measure pressure distribution and estimate lift. An airfoil is a 2-dimensional wing section that helps show key wing performance features. In this demonstration, the pressure distribution around the airfoil is measured with a wind tunnel. Pressure distribution is closely related to the lift generated by an airfoil. The Clark Y-14 model used here has a thickness of 14% and a flat lower surface from 30% of the chord length to the back. The model also includes 19...

clark y-14 wing performance: deployment of high-lift devices (flaps and slats)

clark-y-14-wing-performance-deployment-high-lift-devices-flaps

Wing Lift Control with Flaps and Slats

The Clark Y-14 wing shows how flaps and slats can change airplane lift during takeoff and landing. A wing is the main part of an airplane that generates lift, and high-lift devices help improve its performance when extra lift is needed. Flaps are located on the trailing edge of the wing. Slats are located on the leading edge. In this experiment, both devices are added to a Clark Y-14 wing so their aerodynamic effects can be studied in a wind tunnel. The wind tunnel creates set airspeeds for...

turbulence sphere method: evaluating wind tunnel flow quality

turbulence-sphere-method-evaluating-wind-tunnel-flow-quality

Measuring Wind Tunnel Turbulence with a Sphere

Wind tunnel turbulence can be measured with a smooth sphere as a test model. Wind tunnel tests help engineers design vehicles and structures that will face airflow during use. The air flows are applied in a controlled way, and the model is usually a smaller version of the full-sized object. For low-speed wind tunnel tests, the flow around the model must match the flow around the real object as closely as possible. This is called dynamic similarity, and it depends on the Reynolds number. The...

cross cylindrical flow: measuring pressure distribution and estimating drag coefficients

cross-cylindrical-flow-measuring-pressure-distribution-estimating

Cylinder Flow in a Wind Tunnel: Pressure Drag

Cylinder flow in a wind tunnel shows how pressure changes around a circular object and how those changes relate to drag. The lesson focuses on cross cylindrical flow, where air moves across a cylinder and the pressure on its surface is measured. It also compares real fluid behavior with the simpler results predicted by ideal inviscid potential flow theory. For an ideal fluid, the pressure around a cylinder is vertically symmetric. The pressure upstream and downstream of the cylinder is also...

nozzle analysis: variations in mach number and pressure along a converging and a converging-diverging nozzle

nozzle-analysis-variations-mach-number-pressure-along-converging

Nozzle Flow Regimes in Converging Nozzles

Nozzle flow changes as the nozzle cross-section changes. A nozzle can accelerate or slow a fluid by shaping the flow path. In aerospace propulsion, nozzles are widely used to help produce thrust. In rockets, propellant leaves the chamber and passes through a nozzle. The nozzle speeds up the propellant and creates a reaction force that moves the system forward. In jet engines, a nozzle converts energy from a high-pressure source into kinetic energy in the exhaust. The flow in a nozzle is...

schlieren imaging: a technique to visualize supersonic flow features

schlieren-imaging-a-technique-to-visualize-supersonic-flow-features

Supersonic Shock Waves with Schlieren Imaging

Schlieren imaging is used to show shock waves and compression waves in supersonic flow. It helps make air motion visible when the flow becomes compressible. In this demonstration, a Mach 2.0 flow over a cone is examined with a Schlieren system. Military jet fighters and projectiles can travel faster than the speed of sound. The speed of sound is the rate at which a sound wave moves through a medium, and it is 343 m/s. Mach number compares an object’s speed to the speed of sound. An object at...

flow visualization in a water tunnel: observing the leading-edge vortex over a delta wing

flow-visualization-water-tunnel-observing-leading-edge-vortex-over

Delta Wing Vortex Flow in a Water Tunnel

Delta wing vortex flow can be studied with a water tunnel and dye visualization. A delta wing is a common wing shape for high-speed airplanes because it performs well in transonic and supersonic flight. It has a small aspect ratio, which means the wing span is short compared with the average chord, and a high sweep angle. These features help reduce drag at high subsonic, transonic, and supersonic speeds. A delta wing also has a high stall angle. Stall happens later than it does for a high...

surface dye flow visualization: a qualitative method to observe streakline patterns in supersonic flow

surface-dye-flow-visualization-qualitative-method-to-observe

Supersonic Surface Flow Patterns with Dye

Supersonic surface flow patterns can be studied with dye flow visualization. This method uses dye on the surface of a body to show how gas moves across it. The resulting streakline patterns help reveal flow paths and surface behavior. Flow visualization is a key tool in aerodynamics research. It helps researchers study flow structure and check ideas about fluid motion. Visualization methods are often grouped into off-the-surface and surface flow techniques. Off-the-surface methods look at the...

pitot-static tube: a device to measure air flow speed

pitot-static-tube-a-device-to-measure-air-flow-speed

Measuring Airspeed with Pressure Differences

A Pitot-static tube measures airspeed by comparing air pressure differences. It is widely used to find unknown speeds in airflow, including airplane airspeed. The method relies on Bernoulli's principle, which links changes in pressure to changes in airflow speed. The tube senses stagnation pressure and static pressure. Stagnation pressure is the pressure where the air is brought to rest, and static pressure is the pressure of the moving air around it. The tube connects to a manometer or a...

constant temperature anemometry: a tool to study turbulent boundary layer flow

constant-temperature-anemometry-tool-to-study-turbulent-boundary

Measuring Skin Friction in a Turbulent Boundary Layer

A turbulent boundary layer forms near a solid surface when fluid flow becomes irregular and mixed. In this region, viscous effects and viscous shear stress dominate because friction between the fluid and the surface slows the flow. Outside the boundary layer, the flow is inviscid, which means friction, thermal conduction, and mass diffusion do not create dissipative effects. The boundary layer idea, first introduced by Ludwig Prandtl in 1904, helps simplify the Navier-Stokes equation for flow...

pressure transducer: calibration using a pitot-static tube

pressure-transducer-calibration-using-a-pitot-static-tube

Pitot-Static Pressure Measurement Calibration

Pitot-static pressure measurement calibration uses a wind tunnel, a manometer, and a pressure transducer to link flow pressure to an electrical signal. Fluid pressure is an important flow property for understanding the aerodynamics of a system. In this setup, a pitot-static probe measures stagnation and static pressure during subsonic flow. A U-tube manometer is one of the oldest pressure measurement systems still used today. It is a U-shaped glass tube partly filled with liquid. Because it...

real-time flight control: embedded sensor calibration and data acquisition

Autopilot flight control depends on onboard sensors that measure an aircraft’s orientation, angular velocity, and airspeed. These measurements let the system stabilize the aircraft and help it follow a flight plan from takeoff through landing. The same kind of sensor data is used in many aircraft, including large fixed-wing transport planes and small multirotor helicopters such as quadcopters with four thruster units. When inertial position and velocity are captured with a sensor such as the...

multicopter aerodynamics: characterizing thrust on a hexacopter

multicopter-aerodynamics-characterizing-thrust-on-a-hexacopter

Hexacopter Thrust Testing in a Wind Tunnel

Hexacopter thrust testing shows how a six-rotor drone produces lift and drag. Multicopters are popular for hobby and commercial use. They are commonly built as quadcopters, hexacopters, or octocopters, depending on whether they use four, six, or eight thrusters. This study uses a small modular hexacopter platform with propulsion unit redundancy. Redundancy means the vehicle has backup capability if one motor fails. The team first measured static motor thrust with a dynamometer while changing...

aeronautical engineering

This collection introduces fundamental concepts in aeronautical engineering with a focus on methods to evaluate aerodynamic performance, techniques to visualize subsonic and supersonic flow patterns, and procedures to calibrate measurement systems for real-time flight control.

See how onboard sensors, GPS, calibration, and filtering support autopilot flight control for fixed-wing aircraft and quadcopters in real time.

Autopilot Sensors for UAV Flight Control

Description

Transcript