How do multicopters differ from traditional helicopters in their control mechanisms?

Multicopters use fixed-pitch rotors and control flight by varying rotor speeds, whereas traditional helicopters employ variable-pitch rotors controlled by the pilot. In a hexacopter, some propellers rotate clockwise and others counterclockwise. Flight control is achieved by adjusting individual rotor speeds rather than changing blade pitch angles.

What are the three axes used to describe hexacopter attitude and movement?

Hexacopter attitude is described using the pitch axis, roll axis, and yaw axis, similar to fixed-wing aircraft. Pitch control involves increasing propeller speed on one side and decreasing it on the other. Roll control creates side-to-side movement using the same differential speed method, while yaw control changes heading by balancing clockwise and counterclockwise rotational torques.

How is yaw control achieved in a hexacopter?

Yaw control, which changes the heading angle, is achieved by balancing the clockwise propeller rotational torques with the counterclockwise propeller rotational torques. By spinning the counterclockwise propellers faster than the clockwise propellers, the opposite net reaction induces a clockwise rotation about the yaw axis.

What equations are used to calculate thrust and torque in multicopter propellers?

Thrust is calculated using T = CT × ρ × n² × D⁴, where CT is the thrust coefficient, ρ is air density, n is rotational speed in RPM, and D is propeller diameter. Torque uses τ = CQ × ρ × n² × D⁵, where CQ is the torque coefficient. Both coefficients are determined experimentally from dynamometer data.

What role does a dynamometer play in characterizing hexacopter performance?

A dynamometer measures and calculates individual propeller parameters including thrust, torque, motor RPM, motor current, and throttle command using a step input program with pulsed signals. The system records these values to establish relationships between motor performance and control inputs, providing baseline data for propeller characterization and propeller characterization variations in pitch diameter and blade number performance analysis.

How does wind tunnel testing complement load cell measurements for hexacopter characterization?

Load cell testing outside the wind tunnel measures static thrust at various throttle commands. Wind tunnel testing then characterizes lift and drag forces under airflow conditions at different pitch angles and airspeeds. Results show that increasing throttle significantly increases lift and drag, while higher airspeed increases drag but not lift substantially.

What is the relationship between motor RPM, electrical power, and throttle command in a hexacopter?

Since hexacopters lack direct RPM feedback, a polynomial surface is fitted to dynamometer data relating motor RPM to electrical power and throttle command. This relationship enables calculation of actual RPM from control inputs and power measurements, allowing engineers to predict motor performance across different operating conditions without direct sensor feedback.

Aerodinamica multirotore: caratterizzazione della spinta su un esacottero

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Questo protocollo caratterizza la spinta dell'esacottero e l'aerodinamica. Per questo esperimento, abbiamo utilizzato componenti pronti all'uso in commercio per l'esacottero e i dettagli sono forniti nella Tabella 2. Per il controllore di volo, abbiamo selezionato un pilota automatico open source, Librepilot,⁹ in quanto forniva flessibilità per controllare i singoli comandi del motore emessi all'esacottero.

Il banco di prova per il montaggio della cella di carico e dell'esacottero è stato fabbricato internamente utilizzando compensato laminato ed è mostrato nella Figura 2. Quando si progetta il banco di prova, si noti che deve consentire una regolazione accurata dell'angolo di attacco del multicottero ed essere sufficientemente rigido da resistere alle forze di flessione e alle vibrazioni create durante il funzionamento dei motori.

Una cella di carico a 6 assi è montata sul banco di prova e collegata alla scheda di acquisizione dati, come mostrato nella Figura 3. Le forze aerodinamiche e di spinta sono percepite nel telaio del corpo dell'esacottero dalla cella di carico. I dati degli estensimetri passano attraverso un condizionatore di segnale. La scheda di acquisizione dati (DAQ) acquisisce quindi i componenti analogici di forza e coppia utilizzando una procedura di calibrazione fornita dal produttore della cella di carico. La scheda DAQ memorizza quindi questi valori in un buffer ad alta velocità e successivamente su disco permanente.

Per questo protocollo, in primo luogo, determinare le forze generate dai singoli motori. Quindi determinare le forze che agiscono sulla cellula nuda, seguite dalla determinazione delle forze generate dall'intero esacottero in funzione dei comandi RPM del motore. Emettere gli stessi comandi RPM a tutti i motori per ogni test.

1. Esperimento dinamometrico

Il dinamometro consente la misurazione diretta dei parametri, tra cui spinta, coppia, RPM, tensione della batteria e corrente. Parametri come l'energia elettrica, la potenza meccanica e l'efficienza del motore possono quindi essere derivati dalle equazioni (3), (4) e (5).

Collegare il dinamometro al computer DAQ utilizzando un connettore USB.
Eseguire l'interfaccia utente grafica (GUI) fornita con il dinamometro.
Calibrare il dinamometro seguendo le istruzioni visualizzate sullo schermo. Utilizzare pesi e un braccio a leva noto quando richiesto.
Montare il motore sul banco di prova del dinamometro.
Fissare l'elica in una configurazione a trascinatore (trattore), come mostrato nella Figura 4.
Collegare la batteria al dinamometro.
Fissare saldamente il dinamometro al banco di lavoro utilizzando morsetti a C.
Esegui il programma di input passo e registra i parametri misurati, tra cui spinta, coppia, RPM del motore, corrente del motore e comando "throttle" di modulazione della larghezza di impulso (PWM).

2. Test di spinta statica

Fissare l'esacottero sul banco di prova della cella di carico utilizzando viti di montaggio.
Aprire il sistema di acquisizione dati (DAQ) ed eseguire il programma di polarizzazione dell'estensimetro della cella di carico.
Collegare il controller di volo hexacopter al computer utilizzando un cavo micro USB e aprire il software Ground Controller Station (GCS).
Collegare l'alimentatore all'esacottero.
Seleziona la scheda Configurazione -> Output in GCS. Collegare tutti i motori e controllare il test Live delle uscite.
Impostare il comando dell'acceleratore desiderato su 1300 ms. Assicurati di poter azionare tutti i motori con lo stesso comando dell'acceleratore (PWM).
Lasciare che il sistema si stabilizzi per alcuni secondi, quindi eseguire il programma DAQ per raccogliere i dati dalla cella di carico.
Al termine della raccolta dei dati, arrestare i motori.
Ripetere i passaggi 3. Da 6 a 3,8 per i comandi dell'acceleratore 1500 ms e 1700 ms.
Trasferire i dati memorizzati nel sistema DAQ a un computer per l'elaborazione dei dati e l'archiviazione a lungo termine.

3. Test di spinta dinamica

Condurre una serie di test in galleria del vento per caratterizzare e analizzare le forze aerodinamiche lineari dell'esacottero, principalmente sollevamento e resistenza, su una varietà di velocità dell'aria e angoli di incidenza. Durante gli esperimenti in galleria del vento, si presume che l'esacottero sia in condizioni di volo costante. Pertanto, la grandezza del vettore di velocità dell'esacottero è la stessa della velocità dell'aria e assunta orizzontalmente nel fotogramma del mondo. Le forze di sollevamento e resistenza sono principalmente dovute al flusso d'aria intorno all'esacottero. Si noti che si presume che le forze di sollevamento e trascinamento caratterizzino la portanza totale e la resistenza totale sull'esacottero; le forze laterali sono trascurabili.

La procedura sperimentale eseguita in questo esperimento è simile a quelle riportate in Foster¹⁰e Russell¹¹. Durante i test in galleria del vento, l'esacottero è stato azionato da un convertitore di potenza collegato all'alimentazione dell'edificio (CA) per garantire livelli di potenza e tensione coerenti durante tutti i test. Si noti che i motori ad alti RPM possono consumare corrente apprezzabile; utilizzare un filo a basso calibro e di breve lunghezza per evitare una caduta di tensione apprezzabile attraverso il filo durante il funzionamento.

Montare l'esacottero sul banco di prova della cella di carico
Collegare la cella di carico al computer DAQ e collegare l'esacottero al GCS utilizzando la procedura descritta per il test di spinta statica.
Fissare il banco di prova alla base della galleria del vento con morsetti a C.
Assicurarsi che il multicottero sia ben lontano dalle pareti, dal pavimento e dal soffitto della galleria del vento per ridurre al minimo il disturbo e la riflessione del flusso libero.
Montare tubi di Pitot a diversi metri di distanza dall'esacottero per campionare il flusso d'aria indisturbato. Collegare i sensori di pressione pitot al sistema DAQ.
Impostare l'angolo di inclinazione per l'esacottero su 0° regolando il giunto della cerniera del banco di prova. Nella galleria del vento, l'angolo di passo dell'esacottero e l'angolo di attacco sono identici.
Eseguire il programma di polarizzazione per stabilire i bias di tensione delle celle di carico.
Inizializzare la galleria del vento alla velocità del vento di 2,2 m/s.
Una volta che la velocità del flusso libero si assesta sul valore desiderato, raccogliere le letture FT di base dalla cella di carico con i motori esacotteri spenti.
Inizializza il comando dell'acceleratore a 1300 ms, lascia che la velocità dell'aria nella galleria del vento si stabilizzi prima di raccogliere dati FT e pitot.
Ripetere i passaggi 3.7 - 3.9 per i comandi dell'acceleratore di 1500 ms e 1700 ms.
Ripetere i passaggi 3.5 - 3.10 per diversi angoli di passo dell'esacottero e valori di velocità dell'aria della galleria del vento, come indicato nella Tabella 1.