8.15: 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.

Multicopter sind kleine Luftfahrzeuge mit mehreren Rotoren, im Gegensatz zu herkömmlichen Hubschraubern mit einem Hauptrotor. Ein herkömmlicher Hubschrauberrotor hat eine variable Steigung, die es dem Piloten ermöglicht, Auftrieb und Lenkung zu steuern. Multicopter sind jedoch auf Festrotoren angewiesen. Einige drehen sich im Uhrzeigersinn, andere gegen den Uhrzeigersinn. Der Flug wird durch Variation der Drehzahl eines oder mehrerer Rotoren gesteuert. Bei diesem Hexacopter arbeiten zum Beispiel alle Propeller mit der gleichen Drehzahl. Dadurch wird der gleiche Schub erzeugt, damit es schwebt.

Wie bei Starrflüglern wird die Hexacopter-Lage über drei Achsen beschrieben: die Nickachse, die Rollachse und die Gierachse. Der Hexacopter kann um die Pitch-Achse gesteuert werden, indem die Drehzahl der Propeller auf der einen Seite der Pitch-Achse erhöht und die Drehzahlen der Propeller auf der anderen Seite verringert werden. Dadurch entsteht eine Schubdifferenz zwischen den beiden Seiten. Wenn der Schub in den hinteren Propellern erhöht und in den vorderen Propellern verringert wird, neigt sich der Hexacopter nach vorne.

Ebenso kann der Hexacopter auf die gleiche Weise um die Rollachse gesteuert werden. Dies führt zu einer Seitwärtsbewegung. Dies geschieht, indem auf der einen Seite die Drehzahl der Propeller erhöht und auf der anderen Seite die Drehzahl der Propeller verringert wird.

Die Giersteuerung, die den Kurswinkel ändert, wird durch den Ausgleich der Drehmomente des Propellers im Uhrzeigersinn mit den Drehmomenten des Propellers gegen den Uhrzeigersinn erreicht. Indem sich die Propeller gegen den Uhrzeigersinn schneller drehen als die Propeller im Uhrzeigersinn, induziert die entgegengesetzte Nettoreaktion eine Drehung im Uhrzeigersinn um die Gierachse.

Wir können den Schub und das Drehmoment jeder Propellereinheit mit den gezeigten Gleichungen berechnen. Dabei ist T der erzeugte Schub, CT der Schubkoeffizient, Tau das Drehmoment, CQ der Drehmomentkoeffizient und Omega die Drehzahl in U/min. Sowohl die elektrische als auch die mechanische Leistungsabgabe können anhand der folgenden Gleichungen berechnet werden. Die elektrische und mechanische Leistung wird dann genutzt, um den Wirkungsgrad des Propellermotors zu bestimmen. Die beiden Koeffizienten werden zusammen mit der elektrischen und der mechanischen Leistung anhand von Daten aus Experimenten berechnet.

In diesem Labor zeigen wir, wie man Aerodynamik- und Schubkräfte an einem Hexakopter mit Hilfe einer auf einem Prüfstand montierten Wägezelle berechnen kann. Dann werden wir Auftrieb und Widerstand über einen Bereich von Luftgeschwindigkeiten mit Hilfe eines Windkanals charakterisieren und analysieren.

Um dieses Experiment zu beginnen, verwenden wir ein Dynamometer, um die Parameter eines Propellers zu messen und zu berechnen. Besorgen Sie sich zunächst einen Prüfstand mit einem integrierten Datenerfassungssystem. Führen Sie die grafische Benutzeroberfläche aus, die mit dem Prüfstandssystem bereitgestellt wird. Montieren Sie den Motor auf dem Prüfstand und schließen Sie alle Gerätekabel an. Kalibrieren Sie dann das System, indem Sie den Anweisungen auf dem Bildschirm folgen und Gewichte und den bekannten Hebelarm verwenden, wenn Sie dazu aufgefordert werden.

Sobald die Kalibrierung abgeschlossen ist, befestigen Sie den Propeller in einem ?Abzieher? Konfiguration. Vergewissern Sie sich vor der Durchführung der Experimente, dass der Prüfstand mit C-Klemmen fest an der Werkbank befestigt ist und hinter einer Plexiglasschutzwand steht.

Verbinden Sie nun die Batterie mit dem Prüfstand. Führen Sie das Stufeneingangsprogramm aus, das die Gleichstrommotoren mit einem gepulsten Signal antreibt. Das Programm zeichnet den gemessenen Schub, das Drehmoment, die Motordrehzahl, den Motorstrom und den Impuls mit dem Modulationsdrosselbefehl auf.

Für diesen Teil des Experiments werden wir den Schub des Hexakopters mit einer Wägezelle außerhalb des Windkanals messen, um Störungen durch die Windkanalwände zu vermeiden.

Befestigen Sie zunächst den Hexacopter mit Befestigungsschrauben auf dem Wägezellenprüfstand. Öffnen Sie dann das Datenerfassungssystem und führen Sie das Dehnungsmessstreifen-Bias-Programm für Wägezellen aus, um alle Werte der Bias-Wägezelle zu entfernen. Verbinden Sie den Hexacopter-Flugregler über ein Micro-USB-Kabel mit dem Computer und schließen Sie das Netzteil an den Hexacopter an.

Öffnen Sie dann das Programm der Bodenkontrollstation. Verknüpfen Sie auf der Registerkarte "Konfiguration" alle Motoren, indem Sie auf das Häkchen auf der rechten Seite klicken. Bewegen Sie den Schieberegler für den Ausgabekanal bei 1.300 Mikrosekunden auf den gewünschten Drosselbefehl. Lassen Sie das System einige Sekunden lang stabilisieren und führen Sie dann das Programm aus, um Daten von der Wägezelle zu sammeln.

Wenn das Programm abgeschlossen ist, stoppen Sie die Motoren, indem Sie die Schieberegler für den Ausgangskanal an der Bodencontroller-Station nach links bewegen. Wiederholen Sie den Test mit Drosselbefehlen von 1.500 und 1.700 Mikrosekunden. Stoppen Sie dann die Motoren und übertragen Sie alle Daten auf ein Flash-Laufwerk, um sie als Grundlage für die Windkanalmessungen im nächsten Test zu verwenden.

Für den nächsten Teil des Experiments werden wir den gleichen Test durchführen, nur dass er im Windkanal mit Luftströmung durchgeführt wird. Montieren Sie zunächst den Hexacopter auf dem Wägezellenprüfstand. Verbinden Sie dann die Wägezelle mit dem Datenerfassungscomputer und den Hexacopter mit der Bodenkontrollstation. Befestigen Sie den Prüfstand mit C-Klemmen an der Basis des Windkanals und stellen Sie sicher, dass der Hexacopter frei von den Wänden, dem Boden und der Decke des Windkanals ist, um Störungen der freien Strömung zu minimieren.

Montieren Sie dann zwei Staurohre mit industriellem Klebeband im Windkanal und stellen Sie sicher, dass sie einige Meter vom Hexakopter entfernt platziert sind, um den ungestörten Luftstrom zu testen. Nun den Steigungswinkel des Hexacopters auf 0 setzen? durch Justieren des Scharniergelenks des Prüfstandes. Schließen Sie dann den Windkanal.

Verbinden Sie die Staurohrsensoren mit dem Datenerfassungssystem. Führen Sie als Nächstes das Bias-Programm aus, um die Spannungsbiases der Wägezelle festzulegen. Initialisieren Sie dann den Windkanal und stellen Sie die Windgeschwindigkeit auf etwa 430 ft/min oder 2 ein. 2 m/s. Sobald sich die Strömungsgeschwindigkeit des freien Stroms auf den gewünschten Wert eingependelt hat, erfassen Sie bei ausgeschalteten Hexacopter-Motoren die Basis-Hub- und Schleppmesswerte von der Wägezelle.

Schalten Sie nun die Hexacopter-Motoren ein, indem Sie den Gasbefehl auf 1.300 Mikrosekunden initialisieren. Lassen Sie die Luftgeschwindigkeit im Windkanal abschwellen und erfassen Sie dann die Messwerte von der Wägezelle und von den Staurohren. Wiederholen Sie dann den Test erneut für die drei Gasbefehlseinstellungen bei unterschiedlichen Hexacopter-Neigungswinkeln und Luftgeschwindigkeiten im Windkanal. Um die Komplexität zu reduzieren, wurde zu jeder Zeit ein Null-Gierwinkel eingehalten.

Interpretieren wir nun die Ergebnisse. Stellen Sie zunächst die Daten zwischen Schub und Drehzahl und Drehmoment und Drehzahl dar, die aus dem Dynamometer-Experiment gesammelt wurden.

Hier zeigen wir die Daten für einen Motor. Die Diagramme veranschaulichen, dass eine Erhöhung der Motordrehzahl zu einer Erhöhung des Drehmoments und des Schubs führt. Passen Sie nun eine quadratische Kurve in Form der folgenden Gleichungen an die Daten an. Mit der quadratischen Beziehung können wir dann den Schubkoeffizienten CT und den Drehmomentkoeffizienten CQ bestimmen.

Plotten Sie als Nächstes die eingegebene Motordrehzahl, die elektrische Leistung und den Gasbefehl in einem 3D-Diagramm. Da es bei unserem Hexacopter keine direkte Rückmeldung des Drehzahlsensors gibt, haben wir die Daten mit einer polynomialen Fläche versehen, um die tatsächliche Drehzahl in Abhängigkeit von elektrischer Leistung und Gasbefehl zu erhalten.

Nachdem wir uns nun die Ergebnisse des Prüfstands angesehen haben, werfen wir einen Blick auf die Windkanalexperimente, die mit den hier aufgeführten Parametern durchgeführt wurden. Die Variation von Luftwiderstand und Auftrieb wird gegen die verschiedenen getesteten Nickwinkel aufgetragen. Beide Diagramme zeigen, dass eine Erhöhung des Gasbefehls zu einer signifikanten Erhöhung des Auftriebs oder Motorschubs sowie zu einer Erhöhung des Luftwiderstands führt. Eine Erhöhung der Luftgeschwindigkeit im Windkanal erhöht den Auftrieb nicht signifikant. Die höhere Luftgeschwindigkeit führte jedoch zu einer deutlichen Erhöhung der auf den Hexacopter wirkenden Widerstandskraft.

Zusammenfassend haben wir gelernt, wie aerodynamische Kräfte den Flug von Multicoptern steuern. Anschließend haben wir einen Hexacopter in einem Windkanal getestet und die Auftriebs- und Widerstandskräfte analysiert, die über verschiedene Fluggeschwindigkeiten erzeugt werden.