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).
2. Test ciągu statycznego
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 Foster10 i 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.
Źródło: Prashin Sharma i Ella M. Atkins, Wydział Inżynierii Lotniczej i Kosmicznej, Uniwersytet Michigan, Ann Arbor, MI
Multikoptery stają się popularne w różnych zastosowaniach hobbystycznych i komercyjnych. Są one powszechnie dostępne w konfiguracjach quadkoptera (cztery stery strumieniowe), heksakoptera (sześć sterów strumieniowych) i oktokoptera (osiem sterów strumieniowych). W tym miejscu opisujemy proces eksperymentalny w celu scharakteryzowania wydajności multikoptera. Testowana jest modułowa platforma małego heksakoptera zapewniająca redundancję jednostki napędowej. Indywidualny statyczny ciąg silnika jest określany za pomocą dynamometru i różnych poleceń śmigła i poleceń wejściowych. Ten ciąg statyczny jest następnie reprezentowany jako funkcja prędkości obrotowej silnika, gdzie prędkość obrotowa jest określana na podstawie mocy silnika i danych wejściowych sterowania. Heksakopter jest następnie montowany na stanowisku testowym ogniw obciążnikowych w tunelu aerodynamicznym o niskiej prędkości 5 x 7 stóp, a jego aerodynamiczne składowe siły nośnej i oporu zostały scharakteryzowane podczas lotu przy różnych sygnałach silnika, prędkości swobodnego przepływu i kącie natarcia.
Heksakopter został wybrany do tego badania ze względu na jego odporność na awarie silnika (jednostki napędowej), jak opisano w Clothier1. Wraz z redundancją w układzie napędowym, wybór komponentów o wysokiej niezawodności jest również wymagany dla bezpiecznego lotu, szczególnie w przypadku misji w przeludnionych regionach. W Ampatis2 autorzy omawiają optymalny dobór części multikopterów, takich jak silniki, łopaty, akumulatory i elektroniczne regulatory prędkości. Podobne badania zostały również opisane w Bershadsky3, które koncentrują się na właściwym doborze układu śmigłowego do wymagań misji. Wraz z redundancją i niezawodnością komponentów, zrozumienie osiągów pojazdu jest również niezbędne do zapewnienia przestrzegania limitów obwiedni lotu i wybrania najbardziej wydajnego projektu.
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).
2. Test ciągu statycznego
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 Foster10 i 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.
Multikoptery to małe statki powietrzne z wieloma wirnikami, w przeciwieństwie do tradycyjnych śmigłowców z jednym wirnikiem głównym. Tradycyjny wirnik śmigłowca ma zmienny skok, co umożliwia pilotowi kontrolowanie siły nośnej i sterowania. Jednak multikoptery opierają się na wirnikach o stałym skoku. Niektóre obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a niektóre przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Lot jest kontrolowany poprzez zmianę prędkości jednego lub więcej wirników. Na przykład w tym heksakopterze wszystkie śmigła pracują z tą samą prędkością. To wytwarza taki sam ciąg, aby unosił się w powietrzu.
Podobnie jak w przypadku samolotów stałopłatowych, położenie heksakoptera jest opisane wokół trzech osi: osi pochylenia, osi przechyłu i osi odchylenia. Heksakopter może być sterowany wokół osi skoku, zwiększając prędkość śmigieł po jednej stronie osi skoku i zmniejszając prędkości śmigieł po drugiej stronie. Tworzy to różnicę ciągu między obiema stronami. Jeśli ciąg jest zwiększony w tylnych śmigłach i zmniejszony w przednich, heksakopter pochyla się do przodu.
Podobnie, heksakopter może być sterowany wokół osi rolki w ten sam sposób. Powoduje to ruch na boki. Odbywa się to poprzez zwiększanie prędkości śmigieł z jednej strony i zmniejszanie prędkości śmigieł z drugiej strony.
Kontrola odchylenia, która zmienia kąt kursu, uzyskuje się poprzez zrównoważenie momentów obrotowych śmigła w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara z momentami obrotowymi śmigła w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Obracając śmigła w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara szybciej niż śmigła zgodne z ruchem wskazówek zegara, odwrotna reakcja wypadkowa indukuje obrót w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara wokół osi odchylenia.
Możemy obliczyć ciąg i moment obrotowy każdej jednostki śmigła, korzystając z przedstawionych równań. gdzie T to generowany ciąg, CT to współczynnik ciągu, tau to moment obrotowy, CQ to współczynnik momentu obrotowego, a omega to prędkość obrotowa w obr./min. Zarówno pobór mocy elektrycznej, jak i moc mechaniczną można obliczyć za pomocą następujących równań. Moc elektryczna i mechaniczna jest następnie wykorzystywana do określenia sprawności silnika śmigłowego. Dwa współczynniki, wraz z mocą elektryczną i mechaniczną, są obliczane na podstawie danych uzyskanych z eksperymentów.
W tym laboratorium pokażemy, jak obliczać siły aerodynamiczne i siły ciągu na heksakopterze za pomocą ogniwa obciążnikowego zamontowanego na stanowisku testowym. Następnie scharakteryzujemy i przeanalizujemy siłę nośną i opór w zakresie prędkości powietrza za pomocą tunelu aerodynamicznego.
Aby rozpocząć ten eksperyment, użyjemy dynamometru do zmierzenia i obliczenia parametrów jednego śmigła. Najpierw zaopatrz się w dynamometr z pokładowym systemem akwizycji danych. Uruchom graficzny interfejs użytkownika dostarczony z systemem dynamometrycznym. Zamontuj silnik na stanowisku testowym dynamometru i podłącz wszystkie przewody urządzenia. Następnie skalibruj system, postępując zgodnie z instrukcjami wyświetlanymi na ekranie, używając odważników i znanego ramienia dźwigni, gdy zostaniesz o to poproszony.
Po zakończeniu kalibracji przymocuj śmigło do ?ściągacza? konfiguracja. Przed rozpoczęciem eksperymentów upewnij się, że dynamometr jest mocno przymocowany do stołu warsztatowego za pomocą zacisków C i że jest umieszczony za ścianą ochronną z pleksiglasu.
Teraz podłącz akumulator do dynamometru. Uruchom program wejścia krokowego, który zasila silniki prądu stałego za pomocą sygnału impulsowego. Program zarejestruje zmierzony ciąg, moment obrotowy, obroty silnika, prąd silnika i impuls z poleceniem modulacji przepustnicy.
W tej części eksperymentu zmierzymy ciąg sześciokąta za pomocą ogniwa obciążnikowego na zewnątrz tunelu aerodynamicznego, aby uniknąć zakłóceń powodowanych przez ściany tunelu aerodynamicznego.
Najpierw przymocuj heksakopter do stanowiska testowego ogniwa obciążnikowego za pomocą śrub montażowych. Następnie otwórz system akwizycji danych i uruchom program odchylenia tensometru czujnika wagowego, aby usunąć wszystkie wartości odchylenia czujnika wagowego. Podłącz kontroler lotu heksakoptera do komputera za pomocą kabla micro USB i podłącz zasilanie do heksakoptera.
Następnie otwórz program stacji kontrolera naziemnego. Na karcie konfiguracji połącz wszystkie silniki, klikając znacznik wyboru po prawej stronie. Przesuń suwak kanału wyjściowego na żądane polecenie przepustnicy po 1,300 mikrosekundach. Poczekaj, aż system ustabilizuje się na kilka sekund, a następnie uruchom program, aby zebrać dane z ogniwa obciążnikowego.
Po zakończeniu programu zatrzymaj silniki, przesuwając suwaki kanałów wyjściowych w lewo na naziemnej stacji sterującej. Powtórz test z poleceniami przepustnicy 1,500 i 1,700 mikrosekund. Następnie zatrzymaj silniki i przenieś wszystkie dane na dysk flash, aby wykorzystać je jako punkt odniesienia dla pomiarów w tunelu aerodynamicznym w następnym teście.
W kolejnej części eksperymentu przeprowadzimy ten sam test, z tą różnicą, że zostanie on wykonany wewnątrz tunelu aerodynamicznego z przepływem powietrza. Aby rozpocząć, zamontuj heksakopter na stanowisku testowym ogniwa obciążnikowego. Następnie podłącz ogniwo obciążnikowe do komputera akwizycji danych i podłącz heksakopter do naziemnej stacji kontroli. Przymocuj stanowisko testowe do podstawy tunelu aerodynamicznego za pomocą zacisków C, upewniając się, że heksakopter jest wolny od ścian, podłogi i sufitu tunelu aerodynamicznego, aby zminimalizować zakłócenia swobodnego przepływu strumienia.
Następnie zamontuj dwie rurki Pitota wewnątrz tunelu aerodynamicznego za pomocą taśmy przemysłowej, upewniając się, że umieścisz je kilka stóp od heksakoptera, aby pobrać próbkę niezakłóconego przepływu powietrza. Teraz ustaw kąt nachylenia heksakoptera na 0? poprzez regulację przegubu zawiasowego stanowiska testowego. Następnie zamknij tunel aerodynamiczny.
Podłącz czujniki rurki Pitota do systemu akwizycji danych. Następnie uruchom program polaryzacji, aby ustalić polaryzację napięcia ogniwa obciążnikowego. Następnie zainicjuj tunel aerodynamiczny i ustaw prędkość wiatru na około 430 stóp/min, czyli 2. 2 m/s. Gdy prędkość swobodnego przepływu strumienia ustabilizuje się do żądanej wartości, zbierz odczyty siły nośnej linii bazowej i przeciągnij odczyty z ogniwa obciążnikowego przy wyłączonych silnikach heksakoptera.
Teraz włącz silniki heksakoptera, inicjując polecenie przepustnicy na 1,300 mikrosekund. Poczekaj, aż prędkość powietrza w tunelu aerodynamicznym ustabilizuje się, a następnie zbierz odczyty z ogniwa obciążnikowego i rurek Pitota. Następnie powtórz test ponownie dla trzech ustawień poleceń przepustnicy przy różnych kątach nachylenia heksakoptera i prędkościach powietrza w tunelu aerodynamicznym. Aby zmniejszyć złożoność, przez cały czas utrzymywany był zerowy kąt odchylenia.
Zinterpretujmy teraz wyniki. Najpierw wykreśl dane dotyczące ciągu w funkcji prędkości obrotowej i momentu obrotowego w funkcji prędkości obrotowej zebrane w eksperymencie dynamometrycznym.
Tutaj pokazujemy dane dla jednego silnika. Wykresy ilustrują, że wzrost prędkości obrotowej silnika powoduje wzrost momentu obrotowego i ciągu. Teraz dopasuj krzywą kwadratową do danych w postaci poniższych równań. Korzystając z relacji kwadratowej, możemy następnie wyznaczyć współczynnik ciągu, CT, i współczynnik momentu obrotowego, CQ.
Następnie narysuj prędkość obrotową silnika wejściowego, moc elektryczną i polecenie przepustnicy na wykresie 3D. Ponieważ w naszym heksakopterze nie ma bezpośredniego sprzężenia zwrotnego czujnika prędkości obrotowej, dopasowaliśmy powierzchnię wielomianową do danych, aby uzyskać rzeczywistą prędkość obrotową w funkcji mocy elektrycznej i polecenia przepustnicy.
Teraz, gdy przyjrzeliśmy się wynikom dynamometru, przyjrzyjmy się eksperymentom w tunelu aerodynamicznym przeprowadzonym przy użyciu wymienionych tutaj parametrów. Zmienność oporu i siły nośnej jest wykreślana w odniesieniu do różnych badanych kątów nachylenia. Oba wykresy pokazują, że zwiększenie komendy przepustnicy powoduje znaczny wzrost siły nośnej lub ciągu silnika, a także wzrost oporu. Wzrost prędkości powietrza w tunelu aerodynamicznym nie zwiększa znacząco siły nośnej. Jednak większa prędkość powietrza spowodowała znaczny wzrost siły oporu działającej na heksakopter.
Podsumowując, dowiedzieliśmy się, w jaki sposób siły aerodynamiczne kontrolują lot multikopterów. Następnie przetestowaliśmy heksakopter w tunelu aerodynamicznym i przeanalizowaliśmy siły nośne i oporowe wytwarzane przy różnych prędkościach powietrza.
Testy dynamometryczne
Na rysunkach 5-6 wykresy ilustrują zmiany odpowiednio ciągu i momentu obrotowego wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika. Na podstawie tych wykresów można określić minimalne obroty silnika wymagane do zawisu multikoptera. Wykres przedstawiający dane z wielu śmigieł można uzyskać z Sharma12. Ponadto można wyraźnie zaobserwować kwadratowe zależności między ciągiem a prędkością obrotową i momentem w funkcji prędkości obrotowej, które...
W tym miejscu opisujemy protokół charakteryzujący siły aerodynamiczne działające na heksakopter. Protokół ten można zastosować bezpośrednio do innych konfiguracji wielowirnikowców. Właściwa charakterystyka sił aerodynamicznych jest potrzebna do poprawy projektu sterowania, zrozumienia granic obwiedni lotu i oszacowania lokalnych pól wiatrowych, jak w Xiang13. Przedstawiony protokół określania prędkości obrotowej silnika na podstawie zużycia energii i sterowania przepustnicą ma bezpośrednie zastosowania do szac...
Chapters in this video
0:01
Concepts
3:01
Dynamometer Experiment
4:18
Static Text
5:51
Dynamic Thrust Test
7:57
Results
Videos from this collection: