Aerodinâmica de Multicópteros: Caracterizando o Empuxo em um Hexacóptero

Multicópteros são pequenos veículos aéreos com vários rotores, ao contrário dos helicópteros tradicionais com um rotor principal. Um rotor de helicóptero tradicional tem passo variável, o que permite ao piloto controlar a sustentação e a direção. No entanto, os multicópteros dependem de rotores de passo fixo. Alguns giram no sentido horário e outros giram no sentido anti-horário. O vôo é controlado variando a velocidade de um ou mais rotores. Por exemplo, neste hexacóptero, todas as hélices operam na mesma velocidade. Isso produz o mesmo impulso para ele pairar.

Como aeronaves de asa fixa, a atitude hexacóptero é descrita em torno de três eixos: o eixo de inclinação, o eixo de rotação e o eixo de guinada. O hexacóptero pode ser controlado em torno do eixo de passo, aumentando a velocidade das hélices de um lado do eixo de passo e diminuindo as velocidades das do outro lado. Isso cria um diferencial de empuxo entre os dois lados. Se o empuxo for aumentado nas hélices traseiras e diminuído nas hélices dianteiras, o hexacóptero se inclina para a frente.

Da mesma forma, o hexacóptero pode ser controlado sobre o eixo de rotação da mesma maneira. Isso causa movimento de um lado para o outro. Isso é feito aumentando a velocidade das hélices de um lado e diminuindo a velocidade das hélices do outro lado.

O controle de guinada, que altera o ângulo de direção, é obtido equilibrando os torques rotacionais da hélice no sentido horário com os torques rotacionais da hélice no sentido anti-horário. Ao girar as hélices no sentido anti-horário mais rápido do que as hélices no sentido horário, a reação líquida oposta induz uma rotação no sentido horário em torno do eixo de guinada.

Podemos calcular o empuxo e o torque de cada unidade de hélice usando as equações mostradas. onde T é o empuxo gerado, CT é o coeficiente de empuxo, tau é o torque, CQ é o coeficiente de torque e ômega é a velocidade de rotação em RPM. Tanto a entrada de energia elétrica quanto a saída de energia mecânica podem ser calculadas usando as seguintes equações. A energia elétrica e mecânica é então usada para determinar a eficiência do motor da hélice. Os dois coeficientes, juntamente com a potência elétrica e mecânica, são calculados usando dados adquiridos em experimentos.

Neste laboratório, demonstraremos como calcular as forças aerodinâmicas e de empuxo em um hexacóptero usando uma célula de carga montada em uma bancada de teste. Em seguida, caracterizaremos e analisaremos a sustentação e o arrasto em uma variedade de velocidades do ar usando um túnel de vento.

Para iniciar este experimento, usaremos um dinamômetro para medir e calcular os parâmetros de uma hélice. Primeiro, obtenha um dinamômetro com um sistema de aquisição de dados a bordo. Executar a interface gráfica do utilizador fornecida com o sistema dinamométrico. Monte o motor na bancada de teste do dinamômetro e conecte todos os fios do dispositivo. Em seguida, calibre o sistema seguindo as instruções na tela, usando pesos e o braço de alavanca conhecido quando solicitado.

Quando a calibração estiver concluída, conecte a hélice em um "extrator" configuração. Antes de executar os experimentos, certifique-se de que o dinamômetro esteja firmemente preso à bancada usando grampos C e que esteja colocado atrás de uma parede de proteção de acrílico.

Agora conecte a bateria ao dinamômetro. Execute o programa de entrada de degrau, que alimenta os motores CC usando um sinal pulsado. O programa registrará o empuxo medido, torque, RPM do motor, corrente do motor e pulso com comando de aceleração de modulação.

Para esta parte do experimento, mediremos o empuxo do hexacóptero usando uma célula de carga fora do túnel de vento para evitar distúrbios das paredes do túnel de vento.

Primeiro, fixe o hexacóptero na bancada de teste da célula de carga usando parafusos de montagem. Em seguida, abra o sistema de aquisição de dados e execute o programa de polarização do strain gauge da célula de carga para remover todos os valores da célula de carga de polarização. Conecte o controlador de vôo hexacóptero ao computador usando um cabo micro USB e conecte a fonte de alimentação ao hexacóptero.

Em seguida, abra o programa da estação do controlador de solo. Na guia de configuração, vincule todos os motores clicando na marca de seleção no lado direito. Mova o controle deslizante do canal de saída para o comando de aceleração desejado em 1.300 microssegundos. Deixe o sistema estabilizar por alguns segundos e, em seguida, execute o programa para coletar dados da célula de carga.

Quando o programa estiver concluído, pare os motores movendo os controles deslizantes do canal de saída para a esquerda na estação controladora de solo. Repita o teste com comandos de aceleração de 1.500 e 1.700 microssegundos. Em seguida, pare os motores e transfira todos os dados para uma unidade flash para usar como linha de base para as medições do túnel de vento no próximo teste.

Para a próxima parte do experimento, realizaremos o mesmo teste, exceto que será feito dentro do túnel de vento com fluxo de ar. Para começar, monte o hexacóptero na bancada de teste da célula de carga. Em seguida, conecte a célula de carga ao computador de aquisição de dados e conecte o hexacóptero à estação de controle de solo. Prenda a bancada de teste na base do túnel de vento usando grampos C, certificando-se de que o hexacóptero esteja livre das paredes, piso e teto do túnel de vento para minimizar os distúrbios do fluxo de fluxo livre.

Em seguida, monte dois tubos de pitot dentro do túnel de vento usando fita industrial, certificando-se de colocá-los a alguns metros de distância do hexacóptero para amostrar o fluxo de ar não perturbado. Agora, defina o ângulo de inclinação do hexacóptero para 0? ajustando a junta da dobradiça da bancada de teste. Em seguida, feche o túnel de vento.

Conecte os sensores do tubo pitot ao sistema de aquisição de dados. Em seguida, execute o programa de polarização para estabelecer as polarizações de tensão da célula de carga. Em seguida, inicialize o túnel de vento e defina a velocidade do vento para cerca de 430 pés/min, ou 2. 2 m/s. Assim que a velocidade do fluxo livre se estabilizar no valor desejado, colete as leituras de elevação e arrasto da linha de base da célula de carga com os motores hexacópteros desligados.

Agora, ligue os motores hexacópteros inicializando o comando do acelerador para 1.300 microssegundos. Deixe a velocidade do ar no túnel de vento assentar e, em seguida, colete as leituras da célula de carga e dos tubos de pitot. Em seguida, repita o teste novamente para as três configurações de comando do acelerador em ângulos de inclinação do hexacóptero variados e velocidades do ar do túnel de vento. Para reduzir a complexidade, um ângulo de guinada zero foi mantido o tempo todo.

Agora vamos interpretar os resultados. Primeiro, plote os dados de empuxo versus RPM e torque versus RPM coletados do experimento do dinamômetro.

Aqui, mostramos os dados de um motor. Os gráficos ilustram que um aumento na rotação do motor resulta em um aumento no torque e no empuxo. Agora, ajuste uma curva quadrática aos dados na forma das seguintes equações. Usando a relação quadrática, podemos então determinar o coeficiente de empuxo, CT, e o coeficiente de torque, CQ.

Em seguida, plote o RPM do motor de entrada, a energia elétrica e o comando do acelerador em um gráfico 3D. Como não há feedback direto do sensor de RPM em nosso hexacóptero, ajustamos uma superfície polinomial aos dados para obter o RPM real em função da energia elétrica e do comando do acelerador.

Agora que vimos os resultados do dinamômetro, vamos dar uma olhada nos experimentos em túnel de vento conduzidos usando os parâmetros listados aqui. A variação de arrasto e sustentação é plotada em relação aos diferentes ângulos de inclinação testados. Ambos os gráficos mostram que aumentar o comando do acelerador resulta em aumento significativo na sustentação, ou empuxo do motor, bem como um aumento no arrasto. Um aumento na velocidade do ar em túnel de vento não aumenta significativamente a sustentação. No entanto, a maior velocidade do ar resultou em um aumento significativo na força de arrasto que atua no hexacóptero.

Em resumo, aprendemos como as forças aerodinâmicas controlam o vôo dos multicópteros. Em seguida, testamos um hexacóptero em um túnel de vento e analisamos as forças de sustentação e arrasto produzidas em uma variedade de velocidades do ar.