8.15: Aerodinámica de multicópteros: Caracterización del empuje en un hexacóptero

Este protocolo caracteriza el empuje hexacopter y la aerodinámica. Para este experimento, utilizamos componentes listos para usar disponibles comercialmente para el hexacóptero, y los detalles se proporcionan en la Tabla 2. Para el controlador de vuelo, seleccionamos un piloto automático de código abierto, Librepilot,⁹ ya que proporcionaba flexibilidad para controlar los comandos individuales del motor emitidos al hexacóptero.

El soporte de prueba para el montaje de la célula de carga y el hexacóptero se fabricó internamente utilizando madera contrachapada laminada y se muestra en la Figura 2. Al diseñar el soporte de prueba, tenga en cuenta que debe permitir un ajuste preciso del ángulo de ataque del multicóptero y ser lo suficientemente rígido para soportar las fuerzas de flexión y las vibraciones creadas durante el funcionamiento de los motores.

Una célula de carga de 6 ejes se monta en el soporte de prueba y se conecta a la placa de adquisición de datos, como se muestra en la figura 3. Las fuerzas aerodinámicas y de empuje son detectadas en el marco del cuerpo del hexacóptero por la célula de carga. Los datos del medidor de tensión pasan a través de un acondicionador de señal. A continuación, la placa de adquisición de datos (DAQ) adquiere los componentes analógicos de fuerza y par mediante un procedimiento de calibración proporcionado por el fabricante de la célula de carga. A continuación, la placa DAQ almacena estos valores en un búfer de alta velocidad y posteriormente en un disco permanente.

Para este protocolo, primero, determinar las fuerzas generadas por los motores individuales. A continuación, determinar las fuerzas que actúan sobre el fuselaje desnudo, seguido por la determinación de las fuerzas generadas por todo el hexacóptero como una función de los comandos de RPM del motor. Publique los mismos comandos RPM a todos los motores para cada prueba.

1. Experimento del Dinamómetro

El dinamómetro permite la medición directa de parámetros, incluyendo empuje, par, RPM, voltaje de la batería y corriente. Parámetros como la energía eléctrica, la potencia mecánica y la eficiencia del motor pueden derivarse de las ecuaciones (3), (4) y (5).

1. Conecte el dinamómetro al ordenador DAQ mediante un conector USB.
2. Ejecute la interfaz gráfica de usuario (GUI) proporcionada con el dinamómetro.
3. Calibre el dinamómetro siguiendo las instrucciones que aparecen en pantalla proporcionadas. Use pesas y un brazo de palanca conocido cuando se le solicite.
4. Monte el motor en el soporte de prueba del dinamómetro.
5. Coloque la hélice en una configuración de extracción (tractor), como se muestra en la Figura 4.
6. Conecte la batería al dinamómetro.
7. Fije firmemente el dinamómetro a la mesa de trabajo con abrazaderas C.
8. Ejecute el programa de entrada de pasos y registre los parámetros medidos, incluidos el empuje, el par, las RPM del motor, la corriente del motor y el comando de modulación de ancho de pulso (PWM).

2. Prueba de empuje estático

1. Fije el hexacóptero en el soporte de prueba de la célula de carga utilizando tornillos de montaje.
2. Abra el Sistema de adquisición de datos (DAQ) y ejecute el programa de sesgo del medidor de tensión de células de carga.
3. Conecte el controlador de vuelo hexacopter al ordenador mediante un cable micro USB y abra el software Ground Controller Station (GCS).
4. Conecte la fuente de alimentación al hexacóptero.
5. Seleccione la pestaña Configuración -> Salida en GCS. Enlace todos los motores y compruebe las pruebas en vivo de las salidas.
6. Establezca el comando throttle deseado en 1300 ms. Asegúrese de que puede operar todos los motores con el mismo comando de acelerador (PWM).
7. Deje que el sistema se estabilice durante varios segundos y, a continuación, ejecute el programa DAQ para recopilar datos de la célula de carga.
8. Una vez completada la recopilación de datos, detenga los motores.
9. Repita los pasos 3. 6 a 3.8 para los comandos de aceleración 1500 ms y 1700 ms.
10. Transfiera los datos almacenados en el sistema DAQ a un ordenador de procesamiento de datos y almacenamiento a largo plazo.

3. Prueba de empuje dinámico

Realizar una serie de pruebas de túnel de viento para caracterizar y analizar las fuerzas aerodinámicas lineales del hexacóptero, principalmente levantar y arrastrar, sobre una variedad de velocidades de aire y ángulos de incidencia. Durante los experimentos del túnel de viento, se supone que el hexacóptero está en condiciones de vuelo constante. Por lo tanto, la magnitud del vector de velocidad hexacopter es la misma que la velocidad del aire y se asume horizontal en el marco del mundo. Las fuerzas de elevación y arrastre se deben principalmente al flujo de aire alrededor del hexacóptero. Tenga en cuenta que se supone que las fuerzas de elevación y arrastre caracterizan el total de elevación y arrastre total en el hexacóptero; las fuerzas laterales son insignificantes.

El procedimiento experimental realizado en este experimento es similar a los reportados en Foster¹⁰ y Russell^11. Durante las pruebas del túnel de viento, el hexacóptero fue impulsado por un convertidor de potencia conectado a la potencia del edificio (AC) para asegurar niveles de potencia y voltaje consistentes a lo largo de todas las pruebas. Tenga en cuenta que los motores con RPM altos pueden consumir corriente apreciable; utilizar alambre de calibre bajo y longitud corta para evitar caídas de tensión apreciables a través del cable durante el funcionamiento.

1. Monte el hexacóptero en el soporte de prueba de la célula de carga
2. Conecte la celda de carga al equipo DAQ y conecte el hexacóptero al GCS mediante el procedimiento descrito para la prueba de empuje estático.
3. Fije el soporte de prueba a la base del túnel de viento con abrazaderas C.
4. Asegúrese de que el multicóptero esté bien libre de paredes, suelo y techo del túnel de viento para minimizar la perturbación y la reflexión del flujo de flujo libre.
5. Monte tubos pitot a varios metros del hexacóptero para tomar muestras de flujo de aire sin interrupciones. Conecte los sensores de presión pitot al sistema DAQ.
6. Ajuste el ángulo de inclinación del hexacóptero a 0o ajustando la junta de bisagra del soporte de prueba. En el túnel de viento, el ángulo de inclinación del hexacóptero y el ángulo de ataque son idénticos.
7. Ejecute el programa de sesgo para establecer sesgos de voltaje de celda de carga.
8. Inicializar el túnel de viento a la velocidad del viento de 2,2 m/s.
9. Una vez que la velocidad de flujo de flujo libre se asienta en el valor deseado, recoja las lecturas FT de línea base de la célula de carga con los motores hexacopter apagados.
10. Inicializar el comando throttle a 1300 ms, deje que la velocidad del aire en el túnel de viento se asiente antes de recoger los datos FT y pitot.
11. Repita los pasos 3.7 - 3.9 para los comandos del acelerador de 1500 ms y 1700 ms.
12. Repita los pasos 3.5 - 3.10 para diferentes ángulos de paso hexacopter y valores de velocidad de aire del túnel de viento, como se indica en la Tabla 1.

Los multicópteros son pequeños vehículos aéreos con múltiples rotores, a diferencia de los helicópteros tradicionales con un rotor principal. Un rotor de helicóptero tradicional tiene un paso variable, lo que permite al piloto controlar la sustentación y la dirección. Sin embargo, los multicópteros se basan en rotores de paso fijo. Algunos giran en el sentido de las agujas del reloj y otros giran en el sentido contrario a las agujas del reloj. El vuelo se controla variando la velocidad de uno o más rotores. Por ejemplo, en este hexacóptero, todas las hélices funcionan a la misma velocidad. Esto produce el mismo empuje para que flote.

Al igual que los aviones de ala fija, la actitud del hexacóptero se describe en tres ejes: el eje de cabeceo, el eje de balanceo y el eje de guiñada. El hexacóptero se puede controlar sobre el eje de paso aumentando la velocidad de las hélices en un lado del eje de paso y disminuyendo las velocidades de las del otro lado. Esto crea un diferencial de empuje entre los dos lados. Si el empuje aumenta en las hélices traseras y disminuye en las hélices delanteras, el hexacóptero se inclina hacia adelante.

Del mismo modo, el hexacóptero se puede controlar sobre el eje de balanceo de la misma manera. Esto provoca un movimiento de lado a lado. Esto se hace aumentando la velocidad de las hélices en un lado y disminuyendo la velocidad de las hélices en el otro lado.

El control de guiñada, que cambia el ángulo de rumbo, se logra equilibrando los pares de rotación de la hélice en el sentido de las agujas del reloj con los pares de rotación de la hélice en el sentido contrario a las agujas del reloj. Al hacer girar las hélices en sentido contrario a las agujas del reloj más rápido que las hélices en el sentido de las agujas del reloj, la reacción neta opuesta induce una rotación en el sentido de las agujas del reloj alrededor del eje de guiñada.

Podemos calcular el empuje y el par de cada unidad de hélice utilizando las ecuaciones que se muestran. donde T es el empuje generado, CT es el coeficiente de empuje, tau es el par, CQ es el coeficiente de par y omega es la velocidad de rotación en RPM. Tanto la potencia eléctrica de entrada como la potencia mecánica de salida se pueden calcular utilizando las siguientes ecuaciones. La potencia eléctrica y mecánica se utiliza para determinar la eficiencia del motor de la hélice. Los dos coeficientes, junto con la potencia eléctrica y mecánica, se calculan utilizando datos adquiridos de experimentos.

En este laboratorio, demostraremos cómo calcular las fuerzas aerodinámicas y de empuje en un hexacóptero utilizando una célula de carga montada en un banco de pruebas. A continuación, caracterizaremos y analizaremos la sustentación y la resistencia aerodinámica en un rango de velocidades del aire utilizando un túnel de viento.

Para comenzar este experimento, usaremos un dinamómetro para medir y calcular los parámetros de una hélice. En primer lugar, obtenga un dinamómetro con un sistema de adquisición de datos integrado. Ejecute la interfaz gráfica de usuario proporcionada con el sistema de dinamómetro. Monte el motor en el banco de pruebas del dinamómetro y conecte todos los cables del dispositivo. Luego, calibre el sistema siguiendo las instrucciones en pantalla, usando pesos y el brazo de palanca conocido cuando se le solicite.

Una vez completada la calibración, conecte la hélice en un ?extractor? configuración. Antes de realizar los experimentos, asegúrese de que el dinamómetro esté firmemente asegurado al banco de trabajo con abrazaderas en C y que esté colocado detrás de una pared de protección de plexiglás.

Ahora conecte la batería al dinamómetro. Ejecute el programa de entrada escalonada, que alimenta los motores de CC mediante una señal pulsada. El programa registrará el empuje medido, el par, las RPM del motor, la corriente del motor y el pulso con el comando de aceleración de modulación.

Para esta parte del experimento, mediremos el empuje del hexacóptero utilizando una celda de carga fuera del túnel de viento para evitar perturbaciones de las paredes del túnel de viento.

En primer lugar, fije el hexacóptero al banco de pruebas de la célula de carga con tornillos de montaje. A continuación, abra el sistema de adquisición de datos y ejecute el programa de polarización de la célula de carga para eliminar todos los valores de la célula de carga diagonal. Conecte el controlador de vuelo del hexacóptero a la computadora mediante un cable micro USB y conecte la fuente de alimentación al hexacóptero.

A continuación, abra el programa de la estación de control de tierra. En la pestaña de configuración, vincule todos los motores haciendo clic en la marca de verificación en el lado derecho. Mueva el control deslizante del canal de salida al comando de aceleración deseado a 1.300 microsegundos. Deje que el sistema se estabilice durante unos segundos y luego ejecute el programa para recopilar datos de la celda de carga.

Cuando se complete el programa, detenga los motores moviendo los controles deslizantes del canal de salida hacia la izquierda en la estación del controlador de tierra. Repita la prueba con comandos de aceleración de 1.500 y 1.700 microsegundos. A continuación, detenga los motores y transfiera todos los datos a una unidad flash para utilizarlos como referencia para las mediciones en el túnel de viento en la siguiente prueba.

Para la siguiente parte del experimento, realizaremos la misma prueba, excepto que se realizará dentro del túnel de viento con flujo de aire. Para comenzar, monte el hexacóptero en el banco de pruebas de la célula de carga. Luego, conecte la celda de carga a la computadora de adquisición de datos y conecte el hexacóptero a la estación de control en tierra. Asegure el banco de pruebas a la base del túnel de viento con abrazaderas en C, asegurándose de que el hexacóptero esté libre de las paredes, el piso y el techo del túnel de viento para minimizar las perturbaciones del flujo de flujo libre.

A continuación, monte dos tubos de Pitot dentro del túnel de viento con cinta industrial, asegurándose de colocarlos a unos pocos pies de distancia del hexacóptero para tomar muestras del flujo de aire inalterado. Ahora, establezca el ángulo de inclinación del hexacóptero en 0? ajustando la articulación de la bisagra del banco de pruebas. A continuación, cierre el túnel de viento.

Conecte los sensores de tubo de Pitot al sistema de adquisición de datos. A continuación, ejecute el programa de polarización para establecer las polarizaciones de voltaje de la celda de carga. A continuación, inicialice el túnel de viento y establezca la velocidad del viento en unos 430 pies/min, o 2. 2 m/s. Una vez que la velocidad del flujo de corriente libre se establezca en el valor deseado, recoja las lecturas de elevación y arrastre de referencia de la celda de carga con los motores hexacópteros apagados.

Ahora, encienda los motores hexacópteros inicializando el comando del acelerador a 1.300 microsegundos. Deje que la velocidad del aire en el túnel de viento se asiente y luego recoja las lecturas de la célula de carga y de los tubos de pitot. A continuación, repita la prueba de nuevo para los tres ajustes de mando del acelerador a diferentes ángulos de inclinación del hexacóptero y velocidades del aire en el túnel de viento. Para reducir la complejidad, se mantuvo un ángulo de guiñada cero en todo momento.

Ahora interpretemos los resultados. En primer lugar, trace los datos de empuje frente a RPM y par frente a RPM recogidos del experimento del dinamómetro.

Aquí, mostramos los datos de un motor. Los gráficos ilustran que un aumento en las RPM del motor da como resultado un aumento en el par y el empuje. Ahora, ajusta una curva cuadrática a los datos en forma de las siguientes ecuaciones. Usando la relación cuadrática, podemos determinar el coeficiente de empuje, CT, y el coeficiente de par, CQ.

A continuación, trace las RPM del motor de entrada, la potencia eléctrica y el comando del acelerador en un gráfico 3D. Dado que no hay retroalimentación directa del sensor de RPM en nuestro hexacóptero, hemos ajustado una superficie polinómica a los datos para obtener las RPM reales en función de la potencia eléctrica y el comando del acelerador.

Ahora que hemos visto los resultados del dinamómetro, echemos un vistazo a los experimentos en el túnel de viento realizados con los parámetros enumerados aquí. La variación de la resistencia y la sustentación se traza en función de los diferentes ángulos de inclinación probados. Ambos gráficos muestran que aumentar el comando del acelerador da como resultado un aumento significativo en la elevación o empuje del motor, así como un aumento en la resistencia. Un aumento en la velocidad del aire en el túnel de viento no aumenta significativamente la sustentación. Sin embargo, una mayor velocidad del aire resultó en un aumento significativo en la fuerza de arrastre que actúa sobre el hexacóptero.

En resumen, aprendimos cómo las fuerzas aerodinámicas controlan el vuelo de los multicópteros. A continuación, probamos un hexacóptero en un túnel de viento y analizamos las fuerzas de sustentación y arrastre producidas en un rango de velocidades del aire.