How do multicopters differ from traditional helicopters in their control mechanisms?

Multicopters use fixed-pitch rotors and control flight by varying rotor speeds, whereas traditional helicopters employ variable-pitch rotors controlled by the pilot. In a hexacopter, some propellers rotate clockwise and others counterclockwise. Flight control is achieved by adjusting individual rotor speeds rather than changing blade pitch angles.

What are the three axes used to describe hexacopter attitude and movement?

Hexacopter attitude is described using the pitch axis, roll axis, and yaw axis, similar to fixed-wing aircraft. Pitch control involves increasing propeller speed on one side and decreasing it on the other. Roll control creates side-to-side movement using the same differential speed method, while yaw control changes heading by balancing clockwise and counterclockwise rotational torques.

How is yaw control achieved in a hexacopter?

Yaw control, which changes the heading angle, is achieved by balancing the clockwise propeller rotational torques with the counterclockwise propeller rotational torques. By spinning the counterclockwise propellers faster than the clockwise propellers, the opposite net reaction induces a clockwise rotation about the yaw axis.

What equations are used to calculate thrust and torque in multicopter propellers?

Thrust is calculated using T = CT × ρ × n² × D⁴, where CT is the thrust coefficient, ρ is air density, n is rotational speed in RPM, and D is propeller diameter. Torque uses τ = CQ × ρ × n² × D⁵, where CQ is the torque coefficient. Both coefficients are determined experimentally from dynamometer data.

What role does a dynamometer play in characterizing hexacopter performance?

A dynamometer measures and calculates individual propeller parameters including thrust, torque, motor RPM, motor current, and throttle command using a step input program with pulsed signals. The system records these values to establish relationships between motor performance and control inputs, providing baseline data for propeller characterization and propeller characterization variations in pitch diameter and blade number performance analysis.

How does wind tunnel testing complement load cell measurements for hexacopter characterization?

Load cell testing outside the wind tunnel measures static thrust at various throttle commands. Wind tunnel testing then characterizes lift and drag forces under airflow conditions at different pitch angles and airspeeds. Results show that increasing throttle significantly increases lift and drag, while higher airspeed increases drag but not lift substantially.

What is the relationship between motor RPM, electrical power, and throttle command in a hexacopter?

Since hexacopters lack direct RPM feedback, a polynomial surface is fitted to dynamometer data relating motor RPM to electrical power and throttle command. This relationship enables calculation of actual RPM from control inputs and power measurements, allowing engineers to predict motor performance across different operating conditions without direct sensor feedback.

الديناميكا الهوائية متعددة المروحيات: توصيف الدفع على سداسي المروحية

0 views09:48 min

يميز هذا البروتوكول الدفع السداسي المروحي والديناميكا الهوائية. في هذه التجربة ، استخدمنا المكونات الجاهزة تجاريا للسداسي المروحي ، وترد التفاصيل في الجدول 2. بالنسبة لوحدة التحكم في الطيران ، اخترنا طيارا آليا مفتوح المصدر ، Librepilot ، ⁹ لأنه يوفر المرونة للتحكم في أوامر المحرك الفردية الصادرة إلى المروحية السداسية.

تم تصنيع حامل الاختبار لتركيب خلية الحمل وسداسي المروحية داخليا باستخدام الخشب الرقائقي الرقائقي الرقائقي ويظهر في الشكل 2. عند تصميم حامل الاختبار ، لاحظ أنه يجب أن يسمح بالضبط الدقيق لزاوية هجوم المروحية المتعددة وأن يكون صلبا بدرجة كافية لتحمل قوى الانحناء والاهتزازات الناتجة أثناء تشغيل المحركات.

يتم تركيب خلية تحميل ذات 6 محاور على حامل الاختبار وتوصيلها بلوحة الحصول على البيانات ، كما هو موضح في الشكل 3. يتم استشعار قوى الديناميكا الهوائية والدفع في إطار جسم المروحية السداسية بواسطة خلية الحمل. تمر بيانات مقياس الإجهاد عبر مكيف الإشارة. ثم تكتسب لوحة الحصول على البيانات (DAQ) مكونات القوة التناظرية وعزم الدوران باستخدام إجراء معايرة توفره الشركة المصنعة لخلية الحمل. تقوم لوحة DAQ بعد ذلك بتخزين هذه القيم في مخزن مؤقت عالي السرعة ولاحقا إلى قرص دائم.

بالنسبة لهذا البروتوكول ، أولا ، حدد القوى الناتجة عن المحركات الفردية. ثم حدد القوى المؤثرة على هيكل الطائرة العاري ، متبوعا بتحديد القوى الناتجة عن المروحية السداسية بأكملها كدالة لأوامر RPM المحرك. قم بإصدار نفس أوامر RPM لجميع المحركات لكل اختبار.

1. تجربة دينامومتر

فئة

يسمح مقياس الدينامومتر بالقياس المباشر للمعلمات ، بما في ذلك الدفع وعزم الدوران وعدد الدورات في الدقيقة وجهد البطارية والتيار. يمكن بعد ذلك اشتقاق معلمات مثل الطاقة الكهربائية والطاقة الميكانيكية وكفاءة المحرك من المعادلات (3) و (4) و (5).

قم بتوصيل مقياس ديناميكي بكمبيوتر DAQ باستخدام موصل USB.
قم بتشغيل واجهة المستخدم الرسومية (GUI) المتوفرة مع مقياس الدينامومتر.
قم بمعايرة مقياس القوة الديناميكية باتباع التعليمات التي تظهر على الشاشة. استخدم الأوزان وذراع الرافعة المعروف عند المطالبة.
قم بتركيب المحرك على حامل اختبار مقياس الدينامومتر.
قم بتوصيل المروحة في تكوين مجتذب (جرار) ، كما هو موضح في الشكل 4.
قم بتوصيل البطارية بمقياس الدينامومتر.
قم بتأمين مقياس الدينامومتر بإحكام على طاولة العمل باستخدام المشابك C.
قم بتشغيل برنامج إدخال الخطوة وسجل المعلمات المقاسة ، بما في ذلك أمر الدفع وعزم الدوران وعدد دورات المحرك في الدقيقة وتيار المحرك وتعديل عرض النبضة (PWM).

2. اختبار الدفع الثابت

اربط المروحية السداسية على حامل اختبار خلية الحمل باستخدام مسامير التثبيت.
افتح نظام الحصول على البيانات (DAQ) ، وقم بتشغيل برنامج تحيز مقياس إجهاد خلية الحمل.
قم بتوصيل وحدة التحكم في الطيران سداسية المروحية بالكمبيوتر باستخدام كبل USB صغير وافتح برنامج محطة التحكم الأرضية (GCS).
قم بتوصيل مصدر الطاقة بالسداسية.
حدد علامة التبويب التكوين -> الإخراج في GCS. اربط جميع المحركات ، وتحقق من الاختبار المباشر للمخرجات.
اضبط أمر الخانق المطلوب على 1300 مللي ثانية. تأكد من أنه يمكنك تشغيل جميع المحركات بنفس الأمر دواسة الوقود (PWM).
دع النظام يستقر لعدة ثوان، ثم قم بتشغيل برنامج DAQ لتجميع البيانات من خلية التحميل.
بعد اكتمال جمع البيانات ، أوقف المحركات.
كرر الخطوات من 3. 6 إلى 3.8 لأوامر الخانق 1500 مللي ثانية و 1700 مللي ثانية.
نقل البيانات المخزنة في نظام DAQ إلى كمبيوتر معالجة البيانات والتخزين طويل الأجل.

3. اختبار الدفع الديناميكي

قم بإجراء سلسلة من اختبارات نفق الرياح لتوصيف وتحليل القوى الديناميكية الهوائية الخطية للطائرة السداسية ، في المقام الأول الرفع والسحب ، عبر مجموعة متنوعة من السرعات الجوية وزوايا السقوط. أثناء تجارب نفق الرياح ، يفترض أن تكون المروحية السداسية في ظروف طيران ثابتة. لذلك ، فإن حجم متجه سرعة المروحية السداسية هو نفس السرعة الجوية ويفترض أفقيا في الإطار العالمي. ترجع قوى الرفع والسحب في المقام الأول إلى تدفق الهواء حول المروحية السداسية. لاحظ أنه من المفترض أن تكون قوى الرفع والسحب تميز الرفع الكلي والسحب الكلي على المروحية السداسية. القوات الجانبية ضئيلة.

الإجراء التجريبي الذي تم إجراؤه في هذه التجربة مشابه لتلك التي تم الإبلاغ عنها في Foster¹⁰و Russell¹¹. أثناء اختبار نفق الرياح ، تم تشغيل المروحية السداسية بواسطة محول طاقة متصل بطاقة المبنى (AC) لضمان مستويات طاقة وجهد ثابتة خلال جميع الاختبارات. لاحظ أن المحركات عند عدد دورات عالية في الدقيقة يمكن أن تستهلك تيارا ملحوظا. استخدم سلكا منخفض الطول وقصير الطول لمنع انخفاض الجهد الملحوظ عبر السلك أثناء التشغيل.

قم بتركيب سداسي المروحية على حامل اختبار خلية الحمل
قم بتوصيل خلية الحمل بكمبيوتر DAQ ، وقم بتوصيل المروحية السداسية ب GCS باستخدام الإجراء الموضح لاختبار الدفع الثابت.
قم بتثبيت حامل الاختبار على قاعدة نفق الرياح باستخدام مشابك C.
تأكد من أن المروحية المتعددة خالية تماما من جدران نفق الرياح والأرضية والسقف لتقليل اضطراب تدفق التيار الحر والانعكاس.
قم بتركيب أنابيب pitot على بعد عدة أقدام من المروحية السداسية لأخذ عينات من تدفق الهواء غير المضطرب. قم بتوصيل مستشعرات ضغط pitot بنظام DAQ.
اضبط زاوية الملعب لسداسي المروحية على 0 درجة عن طريق ضبط المفصل المفصلي لحامل الاختبار. في نفق الرياح ، تكون زاوية ميل سداسي المروحية وزاوية الهجوم متطابقة.
قم بتشغيل برنامج التحيز لإنشاء تحيزات جهد خلية الحمل.
قم بتهيئة نفق الرياح إلى سرعة الرياح البالغة 2.2 م / ث.
بمجرد أن تستقر سرعة تدفق التيار الحر على القيمة المطلوبة ، اجمع قراءات FT الأساسية من خلية الحمل مع إيقاف تشغيل محركات سداسية المروحية.
قم بتهيئة أمر دواسة الوقود إلى 1300 مللي ثانية ، ودع السرعة الجوية في نفق الرياح تستقر قبل جمع بيانات FT و pitot.
كرر الخطوات 3.7 - 3.9 لأوامر الخانق التي تبلغ 1500 مللي ثانية و1700 مللي ثانية.
كرر الخطوات 3.5 - 3.10 لزوايا ميل سداسية المروحيات المختلفة وقيم السرعة الجوية لنفق الرياح ، كما هو مذكور في الجدول 1.

المروحيات المتعددة هي مركبات جوية صغيرة ذات دوارات متعددة ، على عكس طائرات الهليكوبتر التقليدية ذات الدوار الرئيسي الواحد. يحتوي دوار المروحية التقليدي على درجة متغيرة ، مما يمكن الطيار من التحكم في الرفع والتوجيه. ومع ذلك ، تعتمد المروحيات المتعددة على دوارات الملعب الثابتة. يدور بعضها في اتجاه عقارب الساعة ، والبعض الآخر يدور عكس اتجاه عقارب الساعة. يتم التحكم في الرحلة عن طريق تغيير سرعة دوار واحد أو أكثر. على سبيل المثال ، في هذا السداسي المروحي ، تعمل جميع المراوح بنفس السرعة. ينتج عن هذا نفس الدفع لتحوم.

مثل الطائرات ذات الأجنحة الثابتة ، يتم وصف موقف المروحية السداسية حول ثلاثة محاور: محور الملعب ، ومحور اللف ، ومحور الانعراج. يمكن التحكم في السداسي المروحية حول محور الملعب عن طريق زيادة سرعة المراوح على جانب واحد من محور الملعب وتقليل سرعات المراوح الموجودة على الجانب الآخر. هذا يخلق فارقا في الدفع بين الجانبين. إذا زاد الدفع في المراوح الخلفية وانخفض في المراوح الأمامية ، فإن المروحية السداسية تميل إلى الأمام.

وبالمثل ، يمكن التحكم في سداسي المروحية حول محور الدوران بنفس الطريقة. هذا يسبب حركة من جانب إلى آخر. يتم ذلك عن طريق زيادة سرعة المراوح على جانب واحد وتقليل سرعة المراوح على الجانب الآخر.

يتم تحقيق التحكم في الانعراج ، الذي يغير زاوية التوجه ، من خلال موازنة عزم دوران المروحة في اتجاه عقارب الساعة مع عزم دوران المروحة عكس اتجاه عقارب الساعة. من خلال تدوير المراوح عكس اتجاه عقارب الساعة بشكل أسرع من المراوح في اتجاه عقارب الساعة ، يؤدي التفاعل الصافي المعاكس إلى دوران في اتجاه عقارب الساعة حول محور الانعراج.

يمكننا حساب الدفع وعزم الدوران لكل وحدة مروحة باستخدام المعادلات الموضحة. حيث T هو الدفع المتولد ، CT هو معامل الدفع ، Tau هو عزم الدوران ، CQ هو معامل عزم الدوران ، وأوميغا هي سرعة الدوران في RPM. يمكن حساب كل من مدخلات الطاقة الكهربائية وخرج الطاقة الميكانيكية باستخدام المعادلات التالية. ثم يتم استخدام الطاقة الكهربائية والميكانيكية لتحديد كفاءة محرك المروحة. يتم حساب المعاملين ، جنبا إلى جنب مع الطاقة الكهربائية والميكانيكية ، باستخدام البيانات التي تم الحصول عليها من التجارب.

في هذا المختبر ، سوف نوضح كيفية حساب القوى الديناميكية الهوائية والقوى الدافعة على سداسي المروحية باستخدام خلية تحميل مثبتة على حامل اختبار. بعد ذلك ، سنقوم بتمييز وتحليل الرفع والسحب على نطاق من سرعات الهواء باستخدام نفق الرياح.

لبدء هذه التجربة، سنستخدم مقياس ديناميكي لقياس معلمات المروحة الواحدة وحسابها. أولا ، احصل على مقياس ديناميكي بنظام الحصول على البيانات على متن الطائرة. قم بتشغيل واجهة المستخدم الرسومية المتوفرة مع نظام مقياس الدينامومتر. قم بتركيب المحرك على حامل اختبار مقياس الدينامومتر وقم بتوصيل جميع أسلاك الجهاز. بعد ذلك، قم بمعايرة النظام باتباع التعليمات التي تظهر على الشاشة، باستخدام الأوزان وذراع الرافعة المعروف عند المطالبة.

بمجرد اكتمال المعايرة ، قم بتوصيل المروحة في تكوين "مجتذب". قبل إجراء التجارب ، تأكد من تثبيت مقياس الدينامومتر بإحكام على طاولة العمل باستخدام مشابك C ، ووضعه خلف جدار حماية زجاج شبكي.

الآن قم بتوصيل البطارية بمقياس الدينامومتر. قم بتشغيل برنامج إدخال الخطوة ، الذي يعمل على تشغيل محركات التيار المستمر باستخدام إشارة نابضة. سيقوم البرنامج بتسجيل الدفع المقاس ، وعزم الدوران ، وعدد دورات المحرك في الدقيقة ، وتيار المحرك ، والنبض مع أمر خنق التعديل.

في هذا الجزء من التجربة ، سنقيس الدفع من المروحية السداسية باستخدام خلية تحميل خارج نفق الرياح لتجنب الاضطرابات من جدران نفق الرياح.

أولا ، اربط المروحية السداسية على حامل اختبار خلية التحميل باستخدام مسامير التثبيت. بعد ذلك ، افتح نظام الحصول على البيانات وقم بتشغيل برنامج تحيز مقياس إجهاد خلية الحمل لإزالة جميع قيم خلايا تحميل التحيز. قم بتوصيل وحدة التحكم في الطيران سداسية المروحية بالكمبيوتر باستخدام كابل USB صغير ، وقم بتوصيل مصدر الطاقة بالسداسية.

ثم افتح برنامج محطة التحكم الأرضية. ضمن علامة تبويب التكوين ، اربط جميع المحركات بالنقر فوق علامة التجزئة على الجانب الأيمن. حرك شريط تمرير قناة الإخراج إلى أمر دواسة الوقود المطلوب بسرعة 1,300 ميكروثانية. دع النظام يستقر لبضع ثوان ثم قم بتشغيل البرنامج لجمع البيانات من خلية التحميل.

عند اكتمال البرنامج ، أوقف المحركات عن طريق تحريك منزلقات قناة الإخراج إلى اليسار في محطة التحكم الأرضية. كرر الاختبار باستخدام أوامر الخانق التي تبلغ 1,500 و 1,700 ميكروثانية. ثم أوقف المحركات ، وانقل جميع البيانات إلى محرك أقراص محمول لاستخدامها كخط أساس لقياسات نفق الرياح في الاختبار التالي.

في الجزء التالي من التجربة ، سنجري نفس الاختبار ، إلا أنه سيتم إجراؤه داخل نفق الرياح مع تدفق الهواء. للبدء ، قم بتركيب المروحية السداسية على حامل اختبار خلية الحمل. بعد ذلك ، قم بتوصيل خلية الحمل بكمبيوتر الحصول على البيانات ، وقم بتوصيل سداسي المروحية بمحطة التحكم الأرضية. قم بتأمين حامل الاختبار على قاعدة نفق الرياح باستخدام المشابك C ، وتأكد من أن المروحية السداسية خالية من جدران نفق الرياح والأرضية والسقف لتقليل اضطرابات تدفق التيار الحر.

بعد ذلك ، قم بتركيب أنبوبين من pitot داخل نفق الرياح باستخدام شريط صناعي ، مع التأكد من وضعهما على بعد بضعة أقدام من المروحية السداسية لأخذ عينات من تدفق الهواء غير المضطرب. الآن ، اضبط زاوية ميل السداسي المروحية على 0 درجة عن طريق ضبط المفصل المفصلي لحامل الاختبار. ثم أغلق نفق الرياح.

قم بتوصيل مستشعرات أنبوب pitot بنظام الحصول على البيانات. بعد ذلك ، قم بتشغيل برنامج التحيز لتحديد تحيزات جهد خلية الحمل. بعد ذلك ، قم بتهيئة نفق الرياح واضبط سرعة الرياح على حوالي 430 قدما / دقيقة ، أو 2. 2 م / ث. بمجرد أن تستقر سرعة تدفق التيار الحر على القيمة المطلوبة ، اجمع قراءات الرفع الأساسي واسحب من خلية الحمل مع إيقاف تشغيل محركات السداسية.

الآن ، قم بتشغيل محركات سداسية المروحية عن طريق تهيئة أمر دواسة الوقود إلى 1,300 ميكروثانية. دع سرعة الهواء في نفق الرياح تستقر ثم اجمع القراءات من خلية الحمل ومن أنابيب pitot. بعد ذلك، كرر الاختبار مرة أخرى لإعدادات أوامر دواسة الوقود الثلاثة بزوايا ميل سداسية المروحية المتنوعة وسرعات هواء نفق الرياح. لتقليل التعقيد ، تم الحفاظ على زاوية الانعراج الصفرية في جميع الأوقات.

الآن دعونا نفسر النتائج. أولا ، ارسم الدفع مقابل RPM وعزم الدوران مقابل بيانات RPM التي تم جمعها من تجربة مقياس الدينامومتر.

هنا ، نعرض بيانات محرك واحد. توضح المخططات أن الزيادة في عدد دورات المحرك في الدقيقة تؤدي إلى زيادة عزم الدوران والدفع. الآن ، قم بتركيب منحنى تربيعي للبيانات في شكل المعادلات التالية. باستخدام العلاقة التربيعية ، يمكننا بعد ذلك تحديد معامل الدفع ، CT ، ومعامل عزم الدوران ، CQ.

بعد ذلك ، قم برسم محرك إدخال المحرك RPM والطاقة الكهربائية وأمر الخانق على مخطط ثلاثي الأبعاد. نظرا لعدم وجود ردود فعل مباشرة لمستشعر RPM على المروحية السداسية الخاصة بنا ، فقد قمنا بتركيب سطح متعدد الحدود للبيانات للحصول على RPM الفعلي كدالة للطاقة الكهربائية وأمر الخانق.

الآن بعد أن نظرنا إلى نتائج مقياس الدينامومتر ، دعنا نلقي نظرة على تجارب نفق الرياح التي أجريت باستخدام المعلمات المدرجة هنا. يتم رسم تباين السحب والرفع مقابل زوايا الملعب المختلفة التي تم اختبارها. تظهر كلتا المخططين أن زيادة أمر دواسة الوقود يؤدي إلى زيادة كبيرة في الرفع ، أو الدفع المحكي ، بالإضافة إلى زيادة السحب. الزيادة في سرعة هواء نفق الرياح لا تزيد بشكل كبير من الرفع. ومع ذلك ، أدت سرعة الهواء المرتفعة إلى زيادة كبيرة في قوة السحب المؤثرة على المروحية السداسية.

باختصار ، تعلمنا كيف تتحكم القوى الديناميكية الهوائية في رحلة المروحيات المتعددة. ثم اختبرنا سداسية المروحية في نفق الرياح وقمنا بتحليل قوى الرفع والسحب الناتجة على نطاق من سرعات الهواء.