Multicopter-Aerodynamik: Charakterisierung der Schubkraft bei einem Hexacopter

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.