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.

Aerodynamika multikoptera: charakterystyka ciągu na heksakopterze

0 views09:48 min

Protokół ten charakteryzuje ciąg i aerodynamikę heksakoptera. W tym eksperymencie użyliśmy dostępnych na rynku, gotowych komponentów do heksakoptera, a szczegóły znajdują się w tabeli 2. Dla kontrolera lotu wybraliśmy autopilota o otwartym kodzie źródłowym, Librepilot,⁹, ponieważ zapewniał on elastyczność w sterowaniu poszczególnymi poleceniami silnika wydanymi dla heksakoptera.

Stanowisko testowe do montażu ogniwa obciążnikowego i heksakoptera zostało wyprodukowane we własnym zakresie przy użyciu sklejki laminowanej i jest pokazane na rysunku 2. Projektując stanowisko testowe należy pamiętać, że musi ono umożliwiać dokładną regulację kąta natarcia multikoptera i być wystarczająco sztywne, aby wytrzymać siły zginające i wibracje powstające podczas pracy silników.

6-osiowy czujnik wagowy jest zamontowany na stanowisku testowym i podłączony do płytki akwizycji danych, jak pokazano na Rysunek 3. Siły aerodynamiczne i ciąg są wykrywane w ramie korpusu heksakoptera przez ogniwo obciążnikowe. Dane tensometryczne przechodzą przez kondycjoner sygnału. Płytka akwizycji danych (DAQ) następnie rejestruje analogowe składowe siły i momentu obrotowego za pomocą procedury kalibracji dostarczonej przez producenta czujnika wagowego. Płyta DAQ następnie zapisuje te wartości w szybkim buforze, a później na dysku stałym.

W przypadku tego protokołu najpierw określ siły generowane przez poszczególne silniki. Następnie wyznacz siły działające na goły płatowiec, a następnie określ siły generowane przez cały heksakopter w funkcji poleceń prędkości obrotowej silnika. Wydaj te same polecenia dotyczące prędkości obrotowej dla wszystkich silników dla każdego testu.

1. Eksperyment na dynamometrze

Hamownia umożliwia bezpośredni pomiar parametrów, w tym ciągu, momentu obrotowego, prędkości obrotowej, napięcia akumulatora i prądu. Parametry, takie jak moc elektryczna, moc mechaniczna i sprawność silnika, można następnie wyprowadzić z równań (3), (4) i (5).

Podłącz dynamometr do komputera DAQ za pomocą złącza USB.
Uruchom graficzny interfejs użytkownika (GUI) dostarczony z dynamometrem.
Skalibruj dynamometr, postępując zgodnie z instrukcjami wyświetlanymi na ekranie. Użyj obciążników i znanego ramienia dźwigni, gdy zostaniesz o to poproszony.
Zamontuj silnik na stanowisku testowym dynamometru.
Przymocuj śmigło w konfiguracji ściągacza (ciągnika), jak pokazano na Rysunek 4.
Podłącz akumulator do dynamometru.
Mocno przymocuj dynamometr do stołu warsztatowego za pomocą C-clamps.
Uruchom program wejściowy krokowy i zapisz zmierzone parametry, w tym ciąg, moment obrotowy, prędkość obrotową silnika, prąd silnika i polecenie "przepustnicy" modulacji szerokości impulsu (PWM).

2. Test ciągu statycznego

Zamocuj heksakopter na stanowisku testowym czujnika wagowego za pomocą śrub montażowych.
Otwórz system akwizycji danych (DAQ) i uruchom program odchylenia tensometru czujnika wagowego.
Podłącz kontroler lotu heksakoptera do komputera za pomocą kabla micro USB i otwórz oprogramowanie Ground Controller Station (GCS).
Podłącz zasilanie do heksakoptera.
Wybierz kartę Configuration (Konfiguracja) -> Output (Dane wyjściowe) w GCS. Połącz wszystkie silniki i sprawdź testy na żywo wyjść.
Ustaw żądane polecenie przepustnicy na 1300 ms. Upewnij się, że możesz obsługiwać wszystkie silniki za pomocą tego samego polecenia przepustnicy (PWM).
Poczekaj, aż system ustabilizuje się na kilka sekund, a następnie uruchom program DAQ, aby zebrać dane z ogniwa obciążnikowego.
Po zakończeniu zbierania danych zatrzymaj silniki.
Powtórz kroki 3. 6 do 3,8 dla poleceń przepustnicy 1500 ms i 1700 ms.
Przesyłanie danych przechowywanych w systemie DAQ do komputera przetwarzającego dane i przechowywanie długotrwałe.

3. Test ciągu dynamicznego

Przeprowadź serię testów w tunelu aerodynamicznym, aby scharakteryzować i przeanalizować liniowe siły aerodynamiczne heksakoptera, głównie siłę nośną i opór, przy różnych prędkościach lotu i kątach padania. Podczas eksperymentów w tunelu aerodynamicznym zakłada się, że heksakopter znajduje się w stałych warunkach lotu. W związku z tym wielkość wektora prędkości heksakoptera jest taka sama jak prędkość lotu i zakłada się ją poziomą w ramie światowej. Siły nośne i oporu wynikają przede wszystkim z przepływu powietrza wokół heksakoptera. Należy pamiętać, że przyjmuje się, że siły nośne i oporu charakteryzują całkowitą siłę nośną i całkowity opór na heksakopterze; Siły boczne są znikome.

Procedura eksperymentalna przeprowadzona w tym eksperymencie jest podobna do tych opisanych w Foster¹⁰i Russell¹¹. Podczas testów w tunelu aerodynamicznym heksakopter był napędzany przez przetwornicę mocy podłączoną do zasilania budynku (AC), aby zapewnić stały poziom mocy i napięcia we wszystkich testach. Należy pamiętać, że silniki przy wysokich obrotach mogą pobierać znaczny prąd; Używaj drutu o małej grubości i krótkiej długości, aby zapobiec znacznemu spadkowi napięcia na przewodzie podczas pracy.

Zamontuj heksakopter na stanowisku testowym czujnika wagowego
Podłącz ogniwo obciążnikowe do komputera DAQ i podłącz heksakopter do GCS, korzystając z procedury opisanej dla Testu Ciągu Statycznego.
Przymocuj stanowisko testowe do podstawy tunelu aerodynamicznego za pomocą C-clamps.
Upewnij się, że multikopter jest dobrze oddalony od ścian, podłogi i sufitu tunelu aerodynamicznego, aby zminimalizować zakłócenia i odbicia swobodnego przepływu strumienia.
Zamontuj rurki Pitota w odległości kilku stóp od heksakoptera, aby pobrać próbkę niezakłóconego przepływu powietrza. Podłącz czujniki ciśnienia Pitota do systemu DAQ.
Ustaw kąt nachylenia heksakoptera na 0°, regulując przegub zawiasowy stanowiska testowego. W tunelu aerodynamicznym kąt nachylenia heksakoptera i kąt natarcia są identyczne.
Uruchom program polaryzacji, aby ustalić polaryzację napięcia ogniwa obciążnikowego.
Zainicjuj tunel aerodynamiczny na prędkość wiatru 2,2 m/s.
Gdy prędkość swobodnego przepływu strumienia ustabilizuje się do żądanej wartości, zbierz podstawowe odczyty FT z ogniwa obciążnikowego przy wyłączonych silnikach heksakoptera.
Zainicjuj polecenie przepustnicy na 1300 ms, pozwól, aby prędkość lotu w tunelu aerodynamicznym ustabilizowała się przed zebraniem danych FT i Pitota.
Powtórz kroki 3.7 - 3.9 dla poleceń przepustnicy 1500 ms i 1700 ms.
Powtórz kroki 3.5 - 3.10 dla różnych kątów nachylenia heksakoptera i wartości prędkości powietrza w tunelu aerodynamicznym, jak podano w tabeli 1.