Multicopter-Aerodynamik: Charakterisierung der Schubkraft bei einem Hexacopter

Dieses Protokoll charakterisiert Hexacopter Schub und Aerodynamik. Für dieses Experiment haben wir handelsübliche, handelsübliche Komponenten für den Hexacopter verwendet, und die Details sind in Tabelle 2 aufgeführt. Für den Flugcontroller haben wir einen Open-Source-Autopiloten, Librepilot,⁹ ausgewählt, da er die Flexibilität bietet, einzelne Motorbefehle zu steuern, die an den Hexacopter ausgegeben werden.

Der Prüfstand für die Montage der Wägezelle und des Hexacopters wurde im eigenen Haus aus laminiertem Sperrholz gefertigt und ist in Abbildung 2dargestellt. Beachten Sie bei der Konstruktion des Prüfstandes, dass er eine genaue Einstellung des Angriffswinkels des Multikopters ermöglichen muss und ausreichend starr sein muss, um Biegekräften und Vibrationen standzuhalten, die beim Betrieb der Motoren entstehen.

Eine 6-Achsen-Wägezelle ist auf dem Prüfstand montiert und mit der Datenerfassungsplatine verbunden, wie in Abbildung 3dargestellt. Aerodynamik und Schubkräfte werden im Körperrahmen des Hexacopters durch die Wägezelle erfasst. Dehnungsmessstreifendaten passieren eine Signalbedingung. Die Datenerfassungsplatine (DAQ) erfasst dann die analogen Kraft- und Drehmomentkomponenten nach einem Kalibrierverfahren des Wägezellenherstellers. Das DAQ-Board speichert diese Werte dann in einem Hochgeschwindigkeitspuffer und später auf permanenter Festplatte.

Bestimmen Sie für dieses Protokoll zunächst die von den einzelnen Motoren erzeugten Kräfte. Bestimmen Sie dann die Kräfte, die auf die nackte Flugzeugzelle wirken, gefolgt von der Bestimmung der Kräfte, die vom gesamten Hexacopter als Funktion von Motor-RPM-Befehlen erzeugt werden. Geben Sie für jeden Test dieselben RPM-Befehle an alle Motoren aus.

1. Dynamometer-Experiment

Der Dynamometer ermöglicht die direkte Messung von Parametern wie Schub, Drehmoment, Drehzahl, Batteriespannung und Strom. Parameter wie elektrische Leistung, mechanische Leistung und Motoreffizienz können dann aus Gleichungen (3), (4) und (5) abgeleitet werden.

1. Schließen Sie das Dynamometer über einen USB-Anschluss an den Datenerfassungscomputer an.
2. Führen Sie die mit dem Dynamometer gelieferte grafische Benutzeroberfläche (GUI) aus.
3. Kalibrieren Sie den Prüfstand, indem Sie die Anweisungen auf dem Bildschirm befolgen. Verwenden Sie Gewichte und einen bekannten Hebelarm, wenn Sie dazu aufgefordert werden.
4. Montieren Sie den Motor am Prüfstand des Dynamometers.
5. Befestigen Sie den Propeller in einer Puller-Konfiguration (Traktor), wie in Abbildung 4dargestellt.
6. Schließen Sie die Batterie an den Prüfstand an.
7. Sichern Sie den Dynamometer mit C-Klemmen fest an der Werkbank.
8. Führen Sie das Schritteingangsprogramm aus und zeichnen Sie die gemessenen Parameter auf, einschließlich Schub, Drehmoment, Motordrehzahl, Motorstrom und Pulsweitenmodulation (PWM) "Drossel" Befehl.

2. Statischer Schubtest

1. Befestigen Sie den Hexacopter am Prüfstand der Wägezelle mit Befestigungsschrauben.
2. Öffnen Sie das Datenerfassungssystem (Data Acquisition System, DAQ), und führen Sie das Lastzellen-Dehnungsmessstreifen-Bias-Programm aus.
3. Schließen Sie den Hexacopter-Flugcontroller über ein Micro-USB-Kabel mit dem Computer an und öffnen Sie die GCS-Software (Ground Controller Station).
4. Schließen Sie das Netzteil an den Hexacopter an.
5. Wählen Sie die Registerkarte Konfiguration -> Ausgabe in GCS. Verknüpfen Sie alle Motoren, und überprüfen Sie die Live-Tests der Ausgänge.
6. Stellen Sie den gewünschten Drosselbefehl auf 1300 ms. Stellen Sie sicher, dass Sie alle Motoren mit dem gleichen Befehl (PWM) bedienen können.
7. Lassen Sie das System für einige Sekunden stabilisieren, und führen Sie dann das Datenerfassungsprogramm aus, um Daten aus der Wägezelle zu sammeln.
8. Nachdem die Datenerfassung abgeschlossen ist, stoppen Sie die Motoren.
9. Wiederholen Sie die Schritte 3. 6 bis 3.8 für Drosselbefehle 1500 ms und 1700 ms.
10. Übertragen Sie die im Datenerfassungssystem gespeicherten Daten auf einen Datenverarbeitungscomputer und langzeitgespeichert.

3. Dynamischer Schubtest

Führen Sie eine Reihe von Windkanaltests durch, um die linearen aerodynamischen Kräfte des Hexacopters, in erster Linie Heben und Ziehen, über eine Vielzahl von Fluggeschwindigkeiten und Einfallswinkeln zu charakterisieren und zu analysieren. Bei den Windkanalexperimenten wird davon ausgegangen, dass sich der Hexacopter in stabilen Flugbedingungen befindet. Daher ist die Größe des Hexacopter-Geschwindigkeitsvektors die gleiche wie die Fluggeschwindigkeit und wird im Weltrahmen horizontal angenommen. Hebe- und Schleppkräfte sind in erster Linie auf den Luftstrom um den Hexacopter zurückzuführen. Beachten Sie, dass Hub- und Zugkräfte angenommen werden, um den gesamten Auftrieb und den Gesamtwiderstand auf Hexacopter zu charakterisieren; Seitenkräfte vernachlässigbar sind.

Das experimentelle Verfahren, das in diesem Experiment durchgeführt wird, ähnelt dem in Foster¹⁰ und Russell¹¹. Während der Windkanalprüfung wurde der Hexacopter von einem Stromwandler angetrieben, der an die Gebäudeleistung (AC) angeschlossen war, um während aller Tests konsistente Leistungs- und Spannungspegel zu gewährleisten. Beachten Sie, dass Motoren mit hohen Drehzahlen einen nennenswerten Strom verbrauchen können. Verwenden Sie niedrige Spurweite und kurze Länge Draht, um spürbaren Spannungsabfall über den Draht während des Betriebs zu verhindern.

1. Montieren Sie den Hexacopter auf dem Wägezellen-Prüfstand
2. Schließen Sie die Wägezelle mit dem Datenerfassungscomputer an, und verbinden Sie den Hexacopter mit dem GCS, indem Sie das für den statischen Schubtest beschriebene Verfahren verwenden.
3. Sichern Sie den Prüfstand mit C-Klemmen an der Basis des Windkanals.
4. Stellen Sie sicher, dass der Multicopter gut frei von Windkanalwänden, Boden und Decke ist, um Störungen und Reflexionen durch den freien Durchfluss zu minimieren.
5. Montieren Sie Pitotröhren einige Meter vom Hexacopter entfernt, um ungestörten Luftstrom zu testen. Schließen Sie die Pitot-Drucksensoren an das DaQ-System an.
6. Stellen Sie den Steigungswinkel für den Hexacopter auf 0° ein, indem Sie das Scharniergelenk des Prüfstandes einstellen. Im Windkanal sind Hexacopter-Pitchwinkel und Angriffswinkel identisch.
7. Führen Sie das Bias-Programm aus, um Spannungsverzerrungen für Lastzellen zu ermitteln.
8. Initialisieren Sie den Windkanal auf eine Windgeschwindigkeit von 2,2 m/s.
9. Sobald sich die freie Strömungsgeschwindigkeit auf den gewünschten Wert absetzt, erfassen Sie Basis-FT-Werte aus der Wägezelle mit Hexacopter-Motoren aus.
10. Initialisieren Sie den Befehl Drosselklappe auf 1300 ms, lassen Sie die Fluggeschwindigkeit im Windkanal absetzen, bevor Sie FT- und Pitot-Daten sammeln.
11. Wiederholen Sie die Schritte 3.7 - 3.9 für Drosselbefehle von 1500 ms und 1700 ms.
12. Wiederholen Sie die Schritte 3.5 - 3.10 für verschiedene Hexacopter-Pitch-Winkel und Windkanal-Luftgeschwindigkeitswerte, wie in Tabelle 1 angegeben.