Aérodynamique des multicoptères : Caractérisation de la poussée sur un hexacoptère

Ce protocole caractérise la poussée et l'aérodynamique des hexacopters. Pour cette expérience, nous avons utilisé des composants disponibles dans le commerce et disponibles sur le marché pour l'hexacopter, et les détails sont fournis dans le tableau 2. Pour le contrôleur de vol, nous avons sélectionné un pilote automatique open-source, Librepilot,⁹ car il a fourni la flexibilité pour commander les commandes motrices individuelles émises à l'hexacopter.

Le banc d'essai pour le montage de la cellule de charge et de l'hexacopter a été fabriqué à l'interne à l'aide de contreplaqué stratifié et est représenté à la figure 2. Lors de la conception du banc d'essai, notez qu'il doit permettre un ajustement précis de l'angle d'attaque du multicopter et être suffisamment rigide pour résister aux forces de flexion et aux vibrations créées lors de l'exploitation des moteurs.

Une cellule de charge à 6 axes est montée sur le banc d'essai et connectée au tableau d'acquisition de données, comme le montre la figure 3. Les forces aérodynamiques et de poussée sont senties dans le cadre du corps de l'hexacopter par la cellule de charge. Les données de la jauge de contrainte passent à travers un conditionneur de signal. Le conseil d'acquisition de données (DAQ) acquiert ensuite la force analogique et les composants de couple à l'aide d'une procédure d'étalonnage fournie par le fabricant de cellules de charge. Le conseil DAQ stocke ensuite ces valeurs dans un tampon haute vitesse et plus tard sur disque permanent.

Pour ce protocole, d'abord, déterminer les forces générées par les moteurs individuels. Déterminez ensuite les forces agissant sur la cellule nue, puis déterminez les forces générées par l'hexagone entier en fonction des commandes de rPM moteur. Émettre les mêmes commandes RPM à tous les moteurs pour chaque test.

1. Expérience Dynamomètre

Le dynamomètre permet de mesurer directement les paramètres, y compris la poussée, le couple, le régime, la tension de la batterie et le courant. Des paramètres tels que la puissance électrique, la puissance mécanique et l'efficacité motrice peuvent alors être dérivés d'équations (3), (4) et (5).

1. Connectez le dynamomètre à l'ordinateur DAQ à l'aide d'un connecteur USB.
2. Exécutez l'interface utilisateur graphique (GUI) fournie avec le dynamomètre.
3. Calibrer le dynamomètre en suivant les instructions à l'écran fournies. Utilisez des poids et un bras de levier connu lorsqu'il est invité.
4. Montez le moteur sur le support d'essai du dynamomètre.
5. Fixez l'hélice dans une configuration de traction (tracteur), comme le montre la figure 4.
6. Connectez la batterie au dynamomètre.
7. Fixer fermement le dynamomètre à l'établi à l'aide de pinces C.
8. Exécutez le programme d'entrée d'étape et enregistrez les paramètres mesurés, y compris la poussée, le couple, le régime moteur, le courant moteur et la modulation de la largeur des impulsions (PWM) de la commande « gazétissante ».

2. Test de poussée statique

1. Attachez l'hexacopter sur le support d'essai des cellules de charge à l'aide de vis de montage.
2. Ouvrez le système d'acquisition de données (DAQ) et exécutez le programme de biais de jauge de contrainte de cellules de charge.
3. Connectez le contrôleur de vol hexacopter à l'ordinateur à l'aide d'un micro câble USB et ouvrez le logiciel Ground Controller Station (GCS).
4. Connectez l'alimentation à l'hexacopter.
5. Sélectionnez l'onglet Configuration - 'gt; Sortie en GCS. Liez tous les moteurs et vérifiez les tests en direct des sorties.
6. Régler la commande de la manette des gaz désirée à 1300 ms. Assurez-vous que vous pouvez faire fonctionner tous les moteurs avec la même commande de gaz (PWM).
7. Laissez le système se stabiliser pendant plusieurs secondes, puis exécutez le programme DAQ pour recueillir des données à partir de la cellule de charge.
8. Une fois la collecte de données terminée, arrêtez les moteurs.
9. Répétez les étapes 3. 6 à 3,8 pour les commandes de gaz 1500 ms et 1700 ms.
10. Transférer les données stockées dans le système DAQ à un ordinateur de traitement de données et de stockage à long terme.

3. Test de poussée dynamique

Effectuez une série d'essais en soufflerie pour caractériser et analyser les forces aérodynamiques linéaires de l'hexacopter, principalement la portance et la traînée, sur une variété de vitesses et d'angles d'incidence. Pendant les expériences en soufflerie, on suppose que l'hexacopter se trouve dans des conditions de vol stables. Par conséquent, l'ampleur du vecteur de vitesse hexacopter est la même que la vitesse et supposé horizontale dans le cadre mondial. Les forces de levage et de traînée sont principalement dues à l'écoulement de l'air autour de l'hexacopter. Notez que les forces de levage et de traînée sont supposées caractériser la portance totale et la traînée totale sur l'hexacopter; les forces latérales sont négligeables.

La procédure expérimentale effectuée dans cette expérience est similaire à celles rapportées dans Foster¹⁰ et Russell¹¹. Pendant les essais en soufflerie, l'hexacopter a été conduit par un convertisseur d'énergie branché sur la puissance du bâtiment (AC) pour assurer des niveaux de puissance et de tension constants tout au long de tous les essais. Notez que les moteurs à RPM élevés peuvent consommer le courant appréciable ; utiliser la jauge basse et le fil de courte longueur pour empêcher la chute de tension appréciable à travers le fil pendant l'opération.

1. Monter l'hexacopter sur le support d'essai des cellules de charge
2. Connectez la cellule de charge à l'ordinateur DAQ et connectez l'hexacopter au GCS en utilisant la procédure décrite pour le test de poussée statique.
3. Sécurisez le banc d'essai jusqu'à la base de la soufflerie avec des pinces C.
4. Assurez-vous que le multicopter est bien dégagé des murs de la soufflerie, du plancher et du plafond afin de minimiser les perturbations et la réflexion du flux libre.
5. Montez des tubes pitot à plusieurs pieds de l'hexacopter pour échantillonner le flux d'air non perturbé. Connectez les capteurs de pression pitot au système DAQ.
6. Réglez l'angle de tangage de l'hexacopter à 0 degrés en ajustant l'articulation de la charnière du banc d'essai. Dans la soufflerie, l'angle de tangage des hexacopters et l'angle d'attaque sont identiques.
7. Exécutez le programme de biais pour établir des biais de tension de cellules de charge.
8. Initialiser la soufflerie à la vitesse du vent de 2,2 m/s.
9. Une fois que la vitesse de flux libre se dépose à la valeur désirée, recueillir des lectures DE base FT de la cellule de charge avec des moteurs hexacopter éteint.
10. Initialiser la commande de la manette des gaz à 1300 ms, laisser la vitesse dans la soufflerie se déposer avant de recueillir des données FT et pitot.
11. Répéter les étapes 3.7 - 3.9 pour les commandes de gaz de 1500 ms et 1700 ms.
12. Répéter les étapes 3.5 - 3.10 pour différents angles de pas d'hexacopter et valeurs de vitesse de soufflerie, comme indiqué dans le tableau 1.