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).
2. Test di spinta statica
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 Foster10 e 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.
Fonte: Prashin Sharma e Ella M. Atkins, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, Università del Michigan, Ann Arbor, MI
I multicotteri stanno diventando popolari per una varietà di applicazioni per hobby e commerciali. Sono comunemente disponibili come quadcopter (quattro propulsori), hexacopter (sei propulsori) e octocopter (otto propulsori). Qui, descriviamo un processo sperimentale per caratterizzare le prestazioni del multicottero. Viene testata una piccola piattaforma modulare di esacotteri che fornisce ridondanza dell'unità di propulsione. La spinta statica individuale del motore viene determinata utilizzando un dinamometro e variando i comandi dell'elica e dell'ingresso. Questa spinta statica viene quindi rappresentata in funzione del numero di giri del motore, in cui il numero di giri è determinato dalla potenza del motore e dall'ingresso di controllo. L'esacottero viene quindi montato su un banco di prova a celle di carico in una galleria del vento a ricircolo a bassa velocità di 5 'x 7' e i suoi componenti aerodinamici di sollevamento e forza di trascinamento sono stati caratterizzati durante il volo a vari segnali motori, velocità del flusso a flusso libero e angolo di attacco.
Un esacottero è stato selezionato per questo studio a causa della sua resilienza al guasto del motore (unità di propulsione), come riportato in Clothier1. Insieme alla ridondanza nel sistema di propulsione, la selezione di componenti ad alta affidabilità è necessaria anche per un volo sicuro, in particolare per le missioni sovrappopolate. In Ampatis2, gli autori discutono la selezione ottimale di parti multicopter, come motori, pale, batterie e regolatori di velocità elettronici. Ricerche simili sono state riportate anche in Bershadsky3, che si concentra sulla corretta selezione di un sistema di elica per soddisfare i requisiti della missione. Insieme alla ridondanza e all'affidabilità dei componenti, la comprensione delle prestazioni del veicolo è anche essenziale per garantire il rispetto dei limiti dell'inviluppo di volo e per selezionare il design più efficiente.
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).
2. Test di spinta statica
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 Foster10 e 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.
I multicotteri sono piccoli veicoli aerei con più rotori, al contrario degli elicotteri tradizionali con un solo rotore principale. Il rotore di un elicottero tradizionale ha un passo variabile, che consente al pilota di controllare la portanza e lo sterzo. Tuttavia, i multicotteri si basano su rotori a passo fisso. Alcuni ruotano in senso orario e altri in senso antiorario. Il volo è controllato variando la velocità di uno o più rotori. Ad esempio, in questo esacottero, tutte le eliche funzionano alla stessa velocità. Questo produce la stessa spinta per farlo librare.
Come gli aerei ad ala fissa, l'assetto dell'esacottero è descritto su tre assi: l'asse di beccheggio, l'asse di rollio e l'asse di imbardata. L'esacottero può essere controllato attorno all'asse di beccheggio aumentando la velocità delle eliche su un lato dell'asse di beccheggio e diminuendo le velocità di quelle sull'altro lato. Questo crea un differenziale di spinta tra i due lati. Se la spinta viene aumentata nelle eliche posteriori e diminuita nelle eliche anteriori, l'esacottero si inclina in avanti.
Allo stesso modo, l'esacottero può essere controllato allo stesso modo sull'asse di rollio. Ciò provoca un movimento da un lato all'altro. Questo viene fatto aumentando la velocità delle eliche da un lato e diminuendo la velocità delle eliche dall'altro lato.
Il controllo dell'imbardata, che modifica l'angolo di direzione, si ottiene bilanciando le coppie di rotazione dell'elica in senso orario con le coppie di rotazione dell'elica in senso antiorario. Facendo girare le eliche in senso antiorario più velocemente delle eliche in senso orario, la reazione netta opposta induce una rotazione in senso orario attorno all'asse di imbardata.
Possiamo calcolare la spinta e la coppia di ciascuna unità di propulsione utilizzando le equazioni mostrate. dove T è la spinta generata, CT è il coefficiente di spinta, tau è la coppia, CQ è il coefficiente di coppia e omega è la velocità di rotazione in RPM. Sia la potenza elettrica assorbita che la potenza meccanica erogata possono essere calcolate utilizzando le seguenti equazioni. La potenza elettrica e meccanica vengono quindi utilizzate per determinare l'efficienza del motore dell'elica. I due coefficienti, insieme alla potenza elettrica e meccanica, sono calcolati utilizzando i dati acquisiti dagli esperimenti.
In questo laboratorio, dimostreremo come calcolare le forze aerodinamiche e di spinta su un esacottero utilizzando una cella di carico montata su un banco di prova. Quindi, caratterizzeremo e analizzeremo la portanza e la resistenza su una gamma di velocità dell'aria utilizzando una galleria del vento.
Per iniziare questo esperimento, utilizzeremo un dinamometro per misurare e calcolare i parametri di un'elica. Per prima cosa, procurati un dinamometro con un sistema di acquisizione dati a bordo. Eseguire l'interfaccia utente grafica fornita con il sistema dinamometrico. Montare il motore sul banco di prova del dinamometro e collegare tutti i cavi del dispositivo. Quindi, calibrare il sistema seguendo le istruzioni sullo schermo, utilizzando i pesi e il braccio di leva noto quando richiesto.
Una volta completata la calibrazione, collegare l'elica in un ?estrattore? configurazione. Prima di eseguire gli esperimenti, assicurarsi che il dinamometro sia saldamente fissato al banco di lavoro mediante morsetti a C e che sia posizionato dietro una parete di protezione in plexiglass.
Ora collega la batteria al dinamometro. Eseguire il programma di ingresso a gradini, che alimenta i motori CC utilizzando un segnale pulsato. Il programma registrerà la spinta misurata, la coppia, il numero di giri del motore, la corrente del motore e l'impulso con il comando dell'acceleratore di modulazione.
Per questa parte dell'esperimento, misureremo la spinta dell'esacottero utilizzando una cella di carico all'esterno della galleria del vento per evitare disturbi dalle pareti della galleria del vento.
Innanzitutto, fissare l'esacottero al banco di prova della cella di carico utilizzando le viti di montaggio. Quindi, aprire il sistema di acquisizione dati ed eseguire il programma di polarizzazione estensimetrico della cella di carico per rimuovere tutti i valori delle celle di carico di polarizzazione. Collegare il controller di volo esacottero al computer utilizzando un cavo micro USB e collegare l'alimentatore all'esacottero.
Quindi, aprire il programma della stazione di controllo di terra. Nella scheda di configurazione, collegare tutti i motori facendo clic sul segno di spunta sul lato destro. Spostare il cursore del canale di uscita sul comando dell'acceleratore desiderato a 1.300 microsecondi. Lasciare che il sistema si stabilizzi per alcuni secondi, quindi eseguire il programma per raccogliere i dati dalla cella di carico.
Al termine del programma, arrestare i motori spostando i cursori del canale di uscita verso sinistra sulla stazione di controllo di terra. Ripetere il test con comandi dell'acceleratore di 1.500 e 1.700 microsecondi. Quindi arrestare i motori e trasferire tutti i dati su un'unità flash da utilizzare come base per le misurazioni della galleria del vento nel test successivo.
Per la parte successiva dell'esperimento, condurremo lo stesso test, tranne per il fatto che sarà fatto all'interno della galleria del vento con flusso d'aria. Per iniziare, montare l'esacottero sul banco di prova della cella di carico. Quindi, collegare la cella di carico al computer di acquisizione dati e collegare l'esacottero alla stazione di controllo a terra. Fissare il banco di prova alla base della galleria del vento utilizzando i morsetti a C, assicurandosi che l'esacottero sia libero dalle pareti, dal pavimento e dal soffitto della galleria del vento per ridurre al minimo i disturbi del flusso libero.
Quindi, monta due tubi di Pitot all'interno della galleria del vento usando del nastro industriale, assicurandoti di posizionarli a pochi metri di distanza dall'esacottero per campionare il flusso d'aria indisturbato. Ora, impostare l'angolo di beccheggio dell'esacottero su 0? regolando il giunto a cerniera del banco di prova. Quindi, chiudi la galleria del vento.
Collegare i sensori del tubo di Pitot al sistema di acquisizione dati. Quindi, eseguire il programma di polarizzazione per stabilire le polarizzazioni di tensione della cella di carico. Quindi, inizializza la galleria del vento e imposta la velocità del vento a circa 430 piedi/min, o 2. 2 m/s. Una volta che la velocità del flusso libero si stabilizza al valore desiderato, raccogliere le letture di portanza e trascinamento della linea di base dalla cella di carico con i motori esacotteri spenti.
Ora, accendi i motori esacotteri inizializzando il comando dell'acceleratore a 1.300 microsecondi. Lasciare che la velocità dell'aria nella galleria del vento si stabilizzi e quindi raccogliere le letture dalla cella di carico e dai tubi di Pitot. Quindi, ripetere nuovamente il test per le tre impostazioni di comando dell'acceleratore a vari angoli di beccheggio dell'esacottero e velocità dell'aria in galleria del vento. Per ridurre la complessità, è stato mantenuto sempre un angolo di imbardata pari a zero.
Ora interpretiamo i risultati. Innanzitutto, traccia i dati di spinta rispetto a RPM e coppia rispetto a RPM raccolti dall'esperimento del dinamometro.
Qui mostriamo i dati per un motore. I grafici illustrano che un aumento del numero di giri del motore si traduce in un aumento della coppia e della spinta. Ora, adatta una curva quadratica ai dati sotto forma delle seguenti equazioni. Utilizzando la relazione quadratica, possiamo quindi determinare il coefficiente di spinta, CT, e il coefficiente di coppia, CQ.
Quindi, traccia il numero di giri del motore in ingresso, la potenza elettrica e il comando dell'acceleratore su un grafico 3D. Poiché non esiste un feedback diretto del sensore RPM sul nostro esacottero, abbiamo adattato una superficie polinomiale ai dati per ottenere il numero di giri effettivo in funzione della potenza elettrica e del comando dell'acceleratore.
Ora che abbiamo esaminato i risultati del dinamometro, diamo un'occhiata agli esperimenti in galleria del vento condotti utilizzando i parametri elencati qui. La variazione di resistenza e portanza viene tracciata rispetto ai diversi angoli di beccheggio testati. Entrambi i grafici mostrano che l'aumento del comando dell'acceleratore si traduce in un aumento significativo della portanza, o spinta del motore, nonché in un aumento della resistenza. Un aumento della velocità dell'aria nella galleria del vento non aumenta significativamente la portanza. Tuttavia, una maggiore velocità dell'aria ha comportato un aumento significativo della forza di resistenza che agisce sull'esacottero.
In sintesi, abbiamo appreso come le forze aerodinamiche controllano il volo dei multicotteri. Abbiamo quindi testato un esacottero in una galleria del vento e analizzato le forze di portanza e resistenza prodotte in una gamma di velocità dell'aria.
Test dinamometrici
Nelle figure 5-6, i grafici illustrano la variazione di spinta e coppia, rispettivamente, con l'aumento del numero di giri del motore. Da questi grafici, è possibile determinare il numero minimo di giri del motore richiesto per il passaggio del mouse del multicottero. Un grafico che mostra i dati da più eliche può essere ottenuto da Sharma12. Inoltre, le relazioni quadratiche tra spinta vs.RPM e momento vs.RPM possono essere chiaramente o...
Qui descriviamo un protocollo per caratterizzare le forze aerodinamiche che agiscono su un esacottero. Questo protocollo può essere applicato direttamente ad altre configurazioni multirotore. È necessaria una corretta caratterizzazione delle forze aerodinamiche per migliorare la progettazione del controllo, comprendere i limiti dell'inviluppo di volo e stimare i campi di vento locali come in Xiang13. Il protocollo presentato per determinare il numero di giri del motore in base al consumo energetico e al comand...
Chapters in this video
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Concepts
3:01
Dynamometer Experiment
4:18
Static Text
5:51
Dynamic Thrust Test
7:57
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