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.

Аэродинамика мультикоптера: характеристика тяги на гексакоптере

0 views09:48 min

Этот протокол характеризует тягу и аэродинамику гексакоптера. Для этого эксперимента мы использовали коммерчески доступные, готовые компоненты для гексакоптера, подробности о которых приведены в таблице 2. В качестве полетного контроллера мы выбрали автопилот с открытым исходным кодом Librepilot9, поскольку он обеспечивал гибкость в управлении отдельными командами мотора, выдаваемыми гексакоптеру.

Испытательный стенд для монтажа тензодатчика и гексакоптера был изготовлен на собственном предприятии из ламинированной фанеры и показан на рисунке 2. При проектировании испытательного стенда следует учитывать, что он должен позволять точно регулировать угол атаки мультикоптера и быть достаточно жестким, чтобы выдерживать изгибающие силы и вибрации, создаваемые при работе двигателей.

6-осевой тензодатчик установлен на испытательном стенде и подключен к плате сбора данных, как показано на рисунке 3. Аэродинамические и осевые силы воспринимаются в корпусе гексакоптера с помощью тензодатчика. Данные тензометрических датчиков проходят через преобразователь сигналов. Затем плата сбора данных (DAQ) получает аналоговые компоненты силы и крутящего момента с помощью процедуры калибровки, предоставленной производителем тензодатчика. Затем плата сбора данных сохраняет эти значения в высокоскоростном буфере, а затем на постоянном диске.

Для этого протокола, во-первых, определите силы, создаваемые отдельными двигателями. Затем определите силы, действующие на голый планер, а затем определите силы, создаваемые всем гексакоптером в зависимости от команд оборотов двигателя. Выдавайте одинаковые команды оборотов для всех двигателей для каждого теста.

1. Эксперимент с динамометром

Динамометр позволяет напрямую измерять параметры, включая тягу, крутящий момент, обороты в минуту, напряжение батареи и ток. Такие параметры, как электрическая мощность, механическая мощность и КПД двигателя, могут быть получены из уравнений (3), (4) и (5).

Подключите динамометр к компьютеру сбора данных с помощью USB-разъема.
Запустите графический интерфейс пользователя (GUI), поставляемый с динамометром.
Откалибруйте динамометр, следуя инструкциям на экране. Используйте грузы и знакомый рычаг при появлении запроса.
Установите мотор на динамометрический испытательный стенд.
Прикрепите пропеллер в конфигурации съемника (трактора), как показано на рисунке 4.
Подключите аккумулятор к динамометру.
Надежно закрепите динамометр на верстаке с помощью С-образных зажимов.
Запустите программу шагового ввода и запишите измеренные параметры, включая тягу, крутящий момент, частоту вращения двигателя, ток двигателя и команду «дроссельной заслонки» широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

2. Испытание статической тяги

Закрепите гексакоптер на стенде для испытаний тензодатчика с помощью крепежных винтов.
Откройте систему сбора данных (DAQ) и запустите программу смещения тензометрического датчика.
Подключите гексакоптерный полетный контроллер к компьютеру с помощью кабеля micro USB и откройте программное обеспечение Ground Controller Station (GCS).
Подключите блок питания к гексакоптеру.
Выберите вкладку Конфигурация -> Вывод в GCS. Подключите все двигатели и проверьте тестирование выходов в режиме реального времени.
Установите желаемую команду дроссельной заслонки на 1300 мс. Убедитесь, что вы можете управлять всеми двигателями с одной и той же командой дроссельной заслонки (ШИМ).
Дайте системе стабилизироваться в течение нескольких секунд, а затем запустите программу сбора данных для сбора данных с тензодатчика.
После завершения сбора данных остановите двигатели.
Повторите шаги с 3. 6 по 3.8 для команд дроссельной заслонки 1500 мс и 1700 мс.
Перенос данных, хранящихся в системе сбора данных, на компьютер обработки данных и долгосрочное хранение.

3. Динамическое испытание тяги

Проведите серию испытаний в аэродинамической трубе, чтобы охарактеризовать и проанализировать линейные аэродинамические силы гексакоптера, в первую очередь подъемную силу и сопротивление, при различных скоростях полета и углах падения. Во время экспериментов в аэродинамической трубе предполагается, что гексакоптер находится в устойчивых условиях полета. Таким образом, величина вектора скорости гексакоптера равна скорости полета и предполагается горизонтальной в мировой системе координат. Подъемная сила и сила лобового сопротивления в первую очередь обусловлены потоком воздуха вокруг гексакоптера. Обратите внимание, что предполагается, что подъемная сила и силы лобового сопротивления характеризуют общую подъемную силу и общее сопротивление на гексакоптере; Побочные силы ничтожно малы.

Экспериментальная процедура, выполненная в этом эксперименте, аналогична тем, о которых сообщалось в работах Фостера¹⁰и Рассела¹¹. Во время испытаний в аэродинамической трубе гексакоптер приводился в действие преобразователем питания, подключенным к сети здания (переменного тока), чтобы обеспечить постоянный уровень мощности и напряжения на протяжении всех испытаний. Обратите внимание, что двигатели на высоких оборотах могут потреблять ощутимый ток; Используйте провод малого сечения и короткой длины, чтобы предотвратить заметное падение напряжения на проводе во время работы.

Установите гексакоптер на стенд для испытаний тензодатчика
Подключите тензодатчик к компьютеру сбора данных, а гексакоптер — к ГКС, используя процедуру, описанную для испытания на статическую тягу.
Закрепите испытательный стенд у основания аэродинамической трубы с помощью С-образных зажимов.
Убедитесь, что мультикоптер находится на достаточном расстоянии от стен, пола и потолка аэродинамической трубы, чтобы свести к минимуму возмущение и отражение свободного потока.
Установите трубки Пито на расстоянии нескольких футов от гексакоптера для отбора проб беспрепятственного воздушного потока. Подключите датчики давления Пито к системе сбора данных.
Установите угол наклона гексакоптера на 0°, отрегулировав шарнирное соединение испытательного стенда. В аэродинамической трубе угол тангажа гексакоптера и угол атаки идентичны.
Запустите программу смещения, чтобы установить смещения напряжения тензодатчика.
Инициализируйте аэродинамическую трубу на скорость ветра 2,2 м/с.
Как только скорость потока свободного потока установится до желаемого значения, соберите базовые показания FT с тензодатчика при выключенных шестиугольных двигателях.
Инициализируйте команду дроссельной заслонки на 1300 мс, дайте скорости воздуха в аэродинамической трубе стабилизироваться перед сбором данных FT и Пито.
Повторите шаги 3.7 - 3.9 для команд дроссельной заслонки длительностью 1500 мс и 1700 мс.
Повторите шаги 3.5 - 3.10 для различных углов тангажа шестигранника и значений скорости в аэродинамической трубе, как указано в таблице 1.