Aérodynamique des multicoptères : Caractérisation de la poussée sur un hexacoptère

Les multicoptères sont de petits véhicules aériens à plusieurs rotors, par opposition aux hélicoptères traditionnels à un rotor principal. Un rotor d’hélicoptère traditionnel a un pas variable, ce qui permet au pilote de contrôler la portance et la direction. Cependant, les multicoptères reposent sur des rotors à pas fixe. Certains tournent dans le sens des aiguilles d’une montre, et d’autres dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Le vol est contrôlé en faisant varier la vitesse d’un ou plusieurs rotors. Par exemple, dans cet hexacoptère, toutes les hélices fonctionnent à la même vitesse. Cela produit la même poussée pour qu’il puisse planer.

Comme pour les avions à voilure fixe, l’attitude de l’hexacoptère est décrite autour de trois axes : l’axe de tangage, l’axe de roulis et l’axe de lacet. L’hexacoptère peut être contrôlé autour de l’axe de pas en augmentant la vitesse des hélices d’un côté de l’axe de pas et en diminuant les vitesses de celles de l’autre côté. Cela crée un différentiel de poussée entre les deux côtés. Si la poussée est augmentée dans les hélices arrière et diminuée dans les hélices avant, l’hexacoptère se lance vers l’avant.

De même, l’hexacoptère peut être contrôlé autour de l’axe de roulis de la même manière. Cela provoque des mouvements latéraux. Cela se fait en augmentant la vitesse des hélices d’un côté et en diminuant la vitesse des hélices de l’autre côté.

Le contrôle du lacet, qui modifie l’angle de cap, est obtenu en équilibrant les couples de rotation de l’hélice dans le sens des aiguilles d’une montre avec les couples de rotation de l’hélice dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. En faisant tourner les hélices dans le sens inverse des aiguilles d’une montre plus rapidement que les hélices dans le sens des aiguilles d’une montre, la réaction nette opposée induit une rotation dans le sens des aiguilles d’une montre autour de l’axe de lacet.

Nous pouvons calculer la poussée et le couple de chaque unité d’hélice à l’aide des équations présentées. où T est la poussée générée, CT est le coefficient de poussée, tau est le couple, CQ est le coefficient de couple et omega est la vitesse de rotation en régime. La puissance électrique absorbée et la puissance mécanique peuvent être calculées à l’aide des équations suivantes. La puissance électrique et mécanique est ensuite utilisée pour déterminer l’efficacité du moteur de l’hélice. Les deux coefficients, ainsi que la puissance électrique et mécanique, sont calculés à l’aide de données acquises lors d’expériences.

Dans cet atelier, nous allons démontrer comment calculer les forces aérodynamiques et de poussée sur un hexacoptère à l’aide d’un capteur de charge monté sur un banc d’essai. Ensuite, nous caractériserons et analyserons la portance et la traînée sur une gamme de vitesses de l’air à l’aide d’une soufflerie.

Pour commencer cette expérience, nous allons utiliser un dynamomètre pour mesurer et calculer les paramètres d’une hélice. Tout d’abord, procurez-vous un dynamomètre avec un système d’acquisition de données embarqué. Exécutez l’interface utilisateur graphique fournie avec le système dynamométrique. Montez le moteur sur le banc d’essai du dynamomètre et connectez tous les fils de l’appareil. Ensuite, calibrez le système en suivant les instructions à l’écran, à l’aide de poids et du bras de levier connu lorsque vous y êtes invité.

Une fois l’étalonnage terminé, fixez l’hélice dans un « extracteur » configuration. Avant d’effectuer les expériences, assurez-vous que le dynamomètre est solidement fixé à l’établi à l’aide de pinces en C et qu’il est placé derrière une paroi de protection en plexiglas.

Connectez maintenant la batterie au dynamomètre. Exécutez le programme d’entrée pas à pas, qui alimente les moteurs à courant continu à l’aide d’un signal pulsé. Le programme enregistrera la poussée mesurée, le couple, le régime moteur, le courant du moteur et l’impulsion avec la commande d’accélérateur de modulation.

Pour cette partie de l’expérience, nous mesurerons la poussée de l’hexacoptère à l’aide d’une cellule de charge à l’extérieur de la soufflerie pour éviter les perturbations des parois de la soufflerie.

Tout d’abord, fixez l’hexacoptère sur le banc d’essai de la cellule de charge à l’aide de vis de montage. Ensuite, ouvrez le système d’acquisition de données et exécutez le programme de polarisation de la jauge de contrainte de la cellule de charge pour supprimer toutes les valeurs de la cellule de charge de biais. Connectez le contrôleur de vol hexacoptère à l’ordinateur à l’aide d’un câble micro USB et connectez l’alimentation à l’hexacoptère.

Ensuite, ouvrez le programme de la station de contrôle au sol. Sous l’onglet de configuration, liez tous les moteurs en cliquant sur la coche sur le côté droit. Déplacez le curseur du canal de sortie sur la commande d’accélérateur souhaitée à 1 300 microsecondes. Laissez le système se stabiliser pendant quelques secondes, puis exécutez le programme pour collecter les données du capteur de pesage.

Une fois le programme terminé, arrêtez les moteurs en déplaçant les curseurs du canal de sortie vers la gauche sur la station de contrôle au sol. Répétez le test avec des commandes d’accélérateur de 1 500 et 1 700 microsecondes. Ensuite, arrêtez les moteurs et transférez toutes les données sur une clé USB pour les utiliser comme référence pour les mesures en soufflerie lors du prochain test.

Pour la prochaine partie de l’expérience, nous effectuerons le même test, sauf qu’il sera effectué à l’intérieur de la soufflerie avec un flux d’air. Pour commencer, montez l’hexacoptère sur le banc d’essai du capteur de force. Ensuite, connectez le capteur de charge à l’ordinateur d’acquisition de données et connectez l’hexacoptère au poste de contrôle au sol. Fixez le banc d’essai à la base de la soufflerie à l’aide de pinces en C, en vous assurant que l’hexacoptère est libre des parois, du sol et du plafond de la soufflerie pour minimiser les perturbations de l’écoulement libre.

Ensuite, montez deux tubes de Pitot à l’intérieur de la soufflerie à l’aide de ruban adhésif industriel, en vous assurant de les placer à quelques pieds de l’hexacoptère pour échantillonner le flux d’air non perturbé. Maintenant, réglez l’angle d’inclinaison de l’hexacoptère à 0 ? en ajustant le joint de charnière du banc d’essai. Ensuite, fermez la soufflerie.

Connectez les capteurs du tube de Pitot au système d’acquisition de données. Ensuite, exécutez le programme de polarisation pour établir les polarisations de tension de la cellule de charge. Ensuite, initialisez la soufflerie et réglez la vitesse du vent sur environ 430 pieds/min, ou 2. 2 m/s. Une fois que la vitesse d’écoulement libre s’établit à la valeur souhaitée, collectez les relevés de levage et de glissement de référence de la cellule de charge avec les moteurs hexacoptères éteints.

Maintenant, allumez les moteurs hexacoptères en initialisant la commande d’accélérateur à 1 300 microsecondes. Laissez la vitesse de l’air dans la soufflerie se stabiliser, puis collectez les lectures de la cellule de charge et des tubes de Pitot. Ensuite, répétez l’essai pour les trois réglages de commande de la manette des gaz à différents angles de tangage d’hexacoptère et vitesses d’air en soufflerie. Pour réduire la complexité, un angle de lacet nul a été maintenu en tout temps.

Interprétons maintenant les résultats. Tout d’abord, tracez les données de poussée en fonction du régime et du couple en fonction du régime recueillies à partir de l’expérience du dynamomètre.

Ici, nous montrons les données d’un moteur. Les graphiques illustrent qu’une augmentation du régime moteur entraîne une augmentation du couple et de la poussée. Maintenant, ajustez une courbe quadratique aux données sous la forme des équations suivantes. En utilisant la relation quadratique, nous pouvons ensuite déterminer le coefficient de poussée, CT, et le coefficient de couple, CQ.

Ensuite, tracez le régime du moteur d’entrée, l’alimentation électrique et la commande d’accélérateur sur un tracé 3D. Comme il n’y a pas de retour direct du capteur de régime sur notre hexacoptère, nous avons ajusté une surface polynomiale aux données pour obtenir le régime réel en fonction de la puissance électrique et de la commande d’accélérateur.

Maintenant que nous avons examiné les résultats du dynamomètre, jetons un coup d’œil aux expériences en soufflerie menées à l’aide des paramètres énumérés ici. La variation de la traînée et de la portance est tracée en fonction des différents angles de tangage testés. Les deux graphiques montrent que l’augmentation de la commande d’accélérateur entraîne une augmentation significative de la portance, ou poussée du moteur, ainsi qu’une augmentation de la traînée. Une augmentation de la vitesse de l’air en soufflerie n’augmente pas significativement la portance. Cependant, une vitesse plus élevée a entraîné une augmentation significative de la force de traînée agissant sur l’hexacoptère.

En résumé, nous avons appris comment les forces aérodynamiques contrôlent le vol des multicoptères. Nous avons ensuite testé un hexacoptère dans une soufflerie et analysé les forces de portance et de traînée produites sur une gamme de vitesses d’air.