マルチコプターエアロダイナミクス:ヘキサコプター上の推力の特徴付け

このプロトコルはヘキサコプターの推力および空気力学を特徴付けます。この実験では、ヘキサコプターに市販の市販部品を使用し、詳細を表2に示します。フライトコントローラーでは、ヘキサコプターに発行された個々のモーターコマンドを制御する柔軟性を^{提供するオープン}ソースのオートパイロット、Librepilot 9を選択しました。

ロードセルとヘキサコプターを取り付けるためのテストスタンドは、積層合板を使用して社内で製造され、図2に示されています。テストスタンドを設計する際には、マルチコプターの攻撃角度を正確に調整し、モータの操作中に発生する曲げ力や振動に耐えるには十分に剛性が必要です。

6 軸ロード セルはテスト スタンドに取り付けられ、データ集録ボードに接続されています(図 3に示す)。エアロダイナミクスと推力は、ロードセルによってヘキサコプターのボディフレームに感知されます。ひずみゲージデータは、信号コンディショナーを通過します。データ集録(DAQ)ボードは、ロードセルメーカーが提供するキャリブレーション手順を使用してアナログ力とトルクコンポーネントを取得します。DAQボードは、これらの値を高速バッファに格納し、後で永続ディスクに保存します。

このプロトコルについては、まず、個々のモータによって生成される力を決定する。次に、裸の機体に作用する力を決定し、続いて、モータRPMコマンドの関数としてヘキサコプター全体によって生成される力を決定します。テストごとにすべてのモータに同じ RPM コマンドを発行します。

1. ダイナモメーター実験

ダイナモメーターは推力、トルク、RPM、電池電圧および電流を含む変数の直接測定を可能にする。電力、機械的電力、モータ効率などのパラメータは、方程式 (3)、(4)、および (5) から導き出すことができます。

1. USB コネクタを使用してダイナモメーターを DAQ コンピュータに接続します。
2. ダイナモメーターで提供されるグラフィカル ユーザー インターフェイス (GUI) を実行します。
3. 提供される画面上の指示に従ってダイナモメーターを校正します。プロンプトが表示された場合は、ウェイトと既知のレバーアームを使用します。
4. ダイナモメーターテストスタンドにモーターを取り付けます。
5. 図 4 に示すように、プロペラをプーラー(トラクター)構成に取り付けます。
6. バッテリーをダイナモメーターに接続します。
7. Cクランプを使用してダイナモメーターをワークベンチにしっかりと固定します。
8. ステップ入力プログラムを実行し、推力、トルク、モータRPM、モータ電流、パルス幅変調(PWM)「スロットル」コマンドを含む測定パラメータを記録します。

2. 静的推力試験

1. 取り付けネジを使用して、ロードセルテストスタンドのヘキサコプターを固定します。
2. データ集録システム(DAQ)を開き、ロードセルひずみゲージバイアスプログラムを実行します。
3. マイクロUSBケーブルを使用してヘキサコプターフライトコントローラをコンピュータに接続し、グランドコントローラステーション(GCS)ソフトウェアを開きます。
4. 電源装置をヘキサコプターに接続します。
5. GCS の [構成] タブ -> 出力を選択します。すべてのモータをリンクし、出力のライブテストを確認します。
6. 目的のスロットル コマンドを 1300 ミリ秒に設定します。
7. システムを数秒間安定させ、DAQ プログラムを実行してロード セルからデータを収集します。
8. データ収集が完了したら、モータを停止します。
9. 手順 3 を繰り返します。スロットル コマンド 1500 ミリ秒と 1700 ミリ秒の場合は 6 ~ 3.8 です。
10. DAQシステムに保存されたデータをデータ処理コンピュータと長期ストレージに転送します。

3. 動的推力試験

一連の風洞試験を実施して、ヘキサコプターの線形空力力(主に揚力とドラッグ)を、さまざまな対気速度と入射角にわたって特徴付け、解析します。風洞実験中、ヘキサコプターは安定した飛行状態にあると仮定される。したがって、ヘキサコプター速度ベクトルの大きさは対気速度と同じであり、ワールドフレームでは水平であると仮定されます。揚力とドラッグ力は、主にヘキサコプターの周囲の空気の流れに起因します。リフトとドラッグの力は、ヘキサコプター上の総リフトと総ドラッグを特徴付けることを想定しています。側力はごくわずかです。

この実験で行われる実験手順は、^{フォスター10}および^{ラッセル11}で報告されたものと類似している。風洞試験中、ヘキサコプターは、すべてのテストを通じて一貫した電力と電圧レベルを保証するために、建物(AC)電源に接続された電源コンバータによって駆動されました。高RPMのモータは、かなりの電流を消費する可能性があります。動作中にワイヤ全体に顕著な電圧降下を防ぐために、低ゲージと短い長さのワイヤを使用してください。

1. ロードセルテストスタンドにヘキサコプターを取り付けます。
2. ロードセルを DAQ コンピュータに接続し、静的推力テストで説明した手順を使用してヘキサコプターを GCS に接続します。
3. テストスタンドをCクランプで風洞の基部に固定します。
4. マルチコプターが風洞の壁、床、天井を十分にクリアして、自由な流れの乱れや反射を最小限に抑えるようにしてください。
5. ピトー管をヘキサコプターから数フィート離れた場所に取り付け、邪魔されない気流をサンプリングします。ピトー圧力センサをDAQシステムに接続します。
6. テストスタンドのヒンジジョイントを調整して、ヘキサコプターのピッチ角度を0°に設定します。風洞では、ヘキサコプターのピッチ角度と攻撃角度は同じです。
7. バイアスプログラムを実行して、ロードセル電圧バイアスを確立します。
8. 風洞を風速 2.2 m/s に初期化します。
9. 自由流流速が所望の値に落ち着いたら、ヘキサコプターモーターをオフにしてロードセルからベースラインFT測定値を収集します。
10. スロットル コマンドを 1300 ミリ秒に初期化し、FT およびピトー データを収集する前に、風洞内の対気速度を落ち着かせてください。
11. 1500 ミリ秒と 1700 ミリ秒のスロットル コマンドの場合は、手順 3.7 ~ 3.9 を繰り返します。
12. 表 1 に示すように、異なるヘキサコプターピッチ角度と風洞対気速度値に対して手順 3.5 ~ 3.10 を繰り返します。