多直升机空气动力学:六轴飞行器上的特征推力

多旋翼飞行器是具有多个旋翼的小型飞行器，而不是具有一个主旋翼的传统直升机。传统的直升机旋翼具有可变螺距，使飞行员能够控制升力和转向。然而，多旋翼飞行器依赖于固定螺距的旋翼。有些顺时针旋转，有些逆时针旋转。飞行是通过改变一个或多个旋翼的速度来控制的。例如，在这个六轴飞行器中，所有螺旋桨都以相同的速度运行。这会产生相同的推力使其悬停。

与固定翼飞机一样，六轴飞行器姿态大约描述三个轴：俯仰轴、滚转轴和偏航轴。可以通过增加俯仰轴一侧螺旋桨的速度并降低另一侧螺旋桨的速度来控制六轴飞行器绕俯仰轴。这在两侧之间产生了推力差。如果后螺旋桨的推力增加，前螺旋桨的推力减小，则六轴飞行器向前倾斜。

同样，可以以相同的方式控制六轴飞行器绕滚转轴。这会导致左右移动。这是通过增加一侧螺旋桨的速度并降低另一侧螺旋桨的速度来实现的。

改变航向角的偏航控制是通过平衡顺时针螺旋桨旋转扭矩和逆时针螺旋桨旋转扭矩来实现的。通过逆时针旋转螺旋桨的速度比顺时针螺旋桨快，相反的净反作用力会引起绕偏航轴顺时针旋转。

我们可以使用所示的方程式计算每个螺旋桨单元的推力和扭矩。其中 T 是产生的推力，CT 是推力系数，tau 是扭矩，CQ 是扭矩系数，omega 是以 RPM 为单位的转速。输入的电功率和机械功率输出都可以使用以下公式计算。然后使用电气和机械功率来确定螺旋桨电机的效率。这两个系数以及电气和机械功率是使用从实验中获得的数据计算的。

在本实验中，我们将演示如何使用安装在测试台上的称重传感器计算六轴飞行器上的空气动力和推力。然后，我们将使用风洞来表征和分析一系列空气速度上的升力和阻力。

为了开始这个实验，我们将使用测功机来测量和计算一个螺旋桨的参数。首先，获得带有机载数据采集系统的测功机。运行测功机系统提供的图形用户界面。将电机安装在测功机测试台上并连接所有设备电线。然后，按照屏幕上的说明校准系统，在出现提示时使用砝码和已知的杠杆臂。

校准完成后，将螺旋桨安装在拉拔器中。配置。在进行实验之前，请确保使用 C 型夹将测功机牢固地固定在工作台上，并将其放置在有机玻璃保护墙后面。

现在将电池连接到测功机。运行步进输入程序，该程序使用脉冲信号为直流电机供电。该程序将使用调制节气门命令记录测得的推力、扭矩、电机转速、电机电流和脉冲。

在这部分实验中，我们将使用风洞外的称重传感器测量来自六轴飞行器的推力，以避免来自风洞壁的干扰。

首先，使用安装螺钉将六轴飞行器固定到称重传感器测试台上。然后，打开数据采集系统并运行称重传感器应变片偏置程序以删除所有偏置称重传感器值。使用 micro USB 数据线将六轴飞行器飞控连接到电脑，并将电源连接到六轴飞行器。

然后，打开 Ground Controller Station 程序。在配置选项卡下，单击右侧的勾号链接所有电机。在 1,300 微秒处将 output channel 滑块移动到所需的 throttle 命令。让系统稳定几秒钟，然后运行程序以从称重传感器收集数据。

程序完成后，通过将输出通道滑块移动到地面控制器站上的左侧来停止电机。使用 1500 和 1700 微秒的 throttle 命令重复测试。然后停止电机，并将所有数据传输到闪存驱动器，以用作下一次测试中风洞测量的基准。

对于实验的下一部分，我们将进行相同的测试，只是它将在有气流的风洞内部进行。首先，将六轴飞行器安装在称重传感器测试台上。然后，将称重传感器连接到数据采集计算机，并将六轴飞行器连接到地面控制站。使用 C 型夹将测试台固定在风洞底部，确保六轴飞行器没有风洞壁、地板和天花板，以最大限度地减少自由流干扰。

然后，使用工业胶带将两个皮托管安装在风洞内，确保将它们放置在距离六轴飞行器几英尺的地方，以对不受干扰的气流进行采样。现在，将六轴飞行器的俯仰角设置为 0？通过调整测试台的铰链接头。然后，关闭风洞。

将皮托管传感器连接到数据采集系统。接下来，运行 bias 程序以建立 load cell 电压偏置。然后，初始化风洞并将风速设置为大约 430 英尺/分钟，即 2。2 米/秒。一旦自由流速稳定到所需值，在六轴飞行器电机关闭的情况下从称重传感器收集基线升力和阻力读数。

现在，通过将油门命令初始化为 1,300 微秒来打开六轴飞行器电机。让风洞中的空气速度稳定下来，然后从称重传感器和皮托管中收集读数。然后，在不同的六轴飞行器俯仰角和风洞风速下，对三个油门命令设置再次重复测试。为了降低复杂性，始终保持零偏航角。

现在让我们解释一下结果。首先，绘制从测功机实验中收集的推力与 RPM 和扭矩与 RPM 的数据。

在这里，我们显示了一个电机的数据。这些图表明，电机 RPM 的增加会导致扭矩和推力的增加。现在，以以下方程的形式将二次曲线拟合到数据。使用二次关系，我们可以确定推力系数 CT 和扭矩系数 CQ。

接下来，在 3-D 图上绘制输入电机 RPM、电力和节气门命令。由于我们的六轴飞行器上没有直接的 RPM 传感器反馈，因此我们对数据拟合了一个多项式表面，以获得作为功率和油门命令函数的实际 RPM。

现在我们已经查看了测功机的结果，让我们看一下使用此处列出的参数进行的风洞实验。阻力和升力的变化与测试的不同俯仰角作图。两张图都显示，增加油门命令会导致升力或电机推力的显着增加，以及阻力的增加。风洞风速的增加不会显著增加升力。然而，更高的空气速度确实导致作用在六轴飞行器上的阻力显着增加。

总之，我们了解了空气动力如何控制多旋翼飞行器的飞行。然后，我们在风洞中测试了六轴飞行器，并分析了在一定风速范围内产生的升力和阻力。