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.