Аэродинамика мультикоптера: характеристика тяги на гексакоптере

Мультикоптеры представляют собой небольшие летательные аппараты с несколькими несущими винтами, в отличие от традиционных вертолетов с одним несущим винтом. Традиционный вертолетный винт имеет изменяемый шаг, что позволяет пилоту управлять подъемной силой и рулевым управлением. Тем не менее, мультикоптеры полагаются на роторы с фиксированным шагом. Некоторые из них вращаются по часовой стрелке, а некоторые – против часовой стрелки. Управление полетом осуществляется путем изменения скорости вращения одного или нескольких несущих винтов. Например, в этом гексакоптере все пропеллеры работают с одинаковой скоростью. Это создает такую же тягу для зависания.

Как и в случае с самолетами с неподвижным крылом, положение гексакоптера описывается по трем осям: ось тангажа, ось крена и ось рысканья. Гексакоптером можно управлять относительно оси тангажа, увеличивая скорость гребных винтов с одной стороны от оси тангажа и уменьшая скорость винтов с другой стороны. Это создает разность тяги между двумя сторонами. Если тяга увеличивается в задних винтах и уменьшается в передних винтах, гексакоптер наклоняется вперед.

Аналогичным образом, гексакоптером можно управлять относительно оси крена таким же образом. Это вызывает движение из стороны в сторону. Это делается путем увеличения скорости винтов с одной стороны и уменьшения скорости винтов с другой стороны.

Управление рысканьем, изменяющее угол курса, достигается за счет уравновешивания крутящих моментов винта по часовой стрелке с крутящими моментами вращения винта против часовой стрелки. Вращая винты против часовой стрелки быстрее, чем винты по часовой стрелке, противоположная результирующая реакция вызывает вращение по часовой стрелке вокруг оси рысканья.

Мы можем рассчитать тягу и крутящий момент каждого гребного винта, используя показанные уравнения. где T — создаваемая тяга, CT — коэффициент тяги, tau — крутящий момент, CQ — коэффициент крутящего момента, omega — скорость вращения в оборотах в минуту. Как входная электрическая мощность, так и выходная механическая мощность могут быть рассчитаны с помощью следующих уравнений. Затем электрическая и механическая мощность используется для определения эффективности гребного двигателя. Эти два коэффициента, наряду с электрической и механической мощностью, рассчитываются с использованием данных, полученных в ходе экспериментов.

В этой лаборатории мы продемонстрируем, как рассчитать аэродинамические и тяговые силы на гексакоптере с помощью тензодатчика, установленного на испытательном стенде. Затем мы охарактеризуем и проанализируем подъемную силу и сопротивление в диапазоне скоростей воздуха с помощью аэродинамической трубы.

Для начала этого эксперимента мы с помощью динамометра измерим и рассчитаем параметры одного винта. Во-первых, приобретите динамометр со встроенной системой сбора данных. Запустите графический интерфейс пользователя, поставляемый с динамометрической системой. Установите мотор на динамометрический испытательный стенд и подключите все провода прибора. Затем откалибруйте систему, следуя инструкциям на экране, используя грузы и знакомый рычаг при появлении запроса.

После завершения калибровки прикрепите пропеллер к «съемнику». конфигурация. Перед проведением экспериментов убедитесь, что динамометр надежно закреплен на рабочем столе с помощью С-образных зажимов и что он расположен за защитной стеной из плексигласа.

Теперь подключите аккумулятор к динамометру. Запустите программу ступенчатого ввода, которая питает двигатели постоянного тока с помощью импульсного сигнала. Программа будет записывать измеренную тягу, крутящий момент, обороты двигателя, ток двигателя и импульс с помощью команды модуляции дроссельной заслонки.

В этой части эксперимента мы будем измерять тягу от гексакоптера с помощью тензодатчика за пределами аэродинамической трубы, чтобы избежать возмущений от стенок аэродинамической трубы.

Сначала закрепите гексакоптер на стенде для испытаний тензодатчика с помощью крепежных винтов. Затем откройте систему сбора данных и запустите программу смещения тензодатчика, чтобы удалить все значения тензодатчика смещения. Подключите контроллер полета гексакоптера к компьютеру с помощью кабеля micro USB, а блок питания подключите к гексакоптеру.

Затем откройте программу станции наземного контроллера. На вкладке конфигурации свяжите все двигатели, нажав на галочку справа. Переместите ползунок выходного канала в положение нужной команды дроссельной заслонки на 1 300 микросекунд. Дайте системе стабилизироваться в течение нескольких секунд, а затем запустите программу для сбора данных с тензодатчика.

Когда программа будет завершена, остановите двигатели, переместив ползунки выходного канала влево на наземной станции контроллера. Повторите тест с командами дроссельной заслонки длительностью 1 500 и 1 700 микросекунд. Затем остановите двигатели и перенесите все данные на флэш-накопитель, чтобы использовать их в качестве основы для измерений в аэродинамической трубе в следующем испытании.

В следующей части эксперимента мы проведем тот же тест, за исключением того, что он будет проводиться внутри аэродинамической трубы с воздушным потоком. Для начала установите гексакоптер на испытательный стенд тензодатчика. Затем подключите тензодатчик к компьютеру сбора данных, а гексакоптер подключите к наземной станции управления. Закрепите испытательный стенд у основания аэродинамической трубы с помощью С-образных зажимов, убедившись, что гексакоптер свободен от стен, пола и потолка аэродинамической трубы, чтобы свести к минимуму помехи свободного потока.

Затем установите две трубки Пито внутри аэродинамической трубы с помощью промышленной ленты, расположив их на расстоянии нескольких футов от гексакоптера, чтобы взять образцы спокойного воздушного потока. Теперь установите угол наклона гексакоптера равным 0? путем регулировки шарнирного соединения испытательного стенда. Затем закройте аэродинамическую трубу.

Подключите датчики трубки Пито к системе сбора данных. Затем запустите программу смещения, чтобы установить смещения напряжения тензодатчика. Затем инициализируйте аэродинамическую трубу и установите скорость ветра примерно 430 футов/мин, или 2. 2 м/с. Как только скорость потока свободного потока установится до желаемого значения, соберите базовые показания подъема и перетаскивания с тензодатчика при выключенных шестиугольных двигателях.

Теперь включите шестиугольные двигатели, инициализировав команду дроссельной заслонки на 1,300 микросекунд. Дайте скорости воздуха в аэродинамической трубе стабилизироваться, а затем соберите показания с тензодатчика и с трубок Пито. Затем повторите тест еще раз для трех настроек команды дроссельной заслонки при различных углах тангажа гексакоптера и скоростях воздуха в аэродинамической трубе. Чтобы снизить сложность, постоянно поддерживался нулевой угол рысканья.

Теперь давайте интерпретируем результаты. Во-первых, построите график зависимости тяги от оборотов и крутящего момента от частоты вращения, собранных в ходе эксперимента с динамометром.

Здесь мы показываем данные для одного двигателя. Графики показывают, что увеличение оборотов двигателя приводит к увеличению крутящего момента и тяги. Теперь подгоним квадратичную кривую к данным в виде следующих уравнений. Используя квадратичное соотношение, мы можем определить коэффициент тяги, CT, и коэффициент крутящего момента, CQ.

Затем построите график входной частоты вращения двигателя, электрической мощности и команды дроссельной заслонки на 3D-графике. Поскольку на нашем гексакоптере отсутствует прямая обратная связь датчика оборотов, мы подогнали полиномиальную поверхность к данным, чтобы получить фактическую частоту вращения в минуту в зависимости от электрической мощности и команды дроссельной заслонки.

Теперь, когда мы рассмотрели результаты динамометра, давайте посмотрим на эксперименты в аэродинамической трубе, проведенные с использованием перечисленных здесь параметров. Изменение лобового сопротивления и подъемной силы построено на графике в зависимости от различных испытанных углов тангажа. Оба графика показывают, что увеличение команды дроссельной заслонки приводит к значительному увеличению подъемной силы или тяги двигателя, а также к увеличению лобового сопротивления. Увеличение скорости полета в аэродинамической трубе не приводит к значительному увеличению подъемной силы. Тем не менее, более высокая скорость воздуха привела к значительному увеличению силы сопротивления, действующей на гексакоптер.

Подводя итоги, мы узнали, как аэродинамические силы управляют полетом мультикоптеров. Затем мы испытали гексакоптер в аэродинамической трубе и проанализировали подъемную силу и силы сопротивления, создаваемые в диапазоне скоростей воздуха.