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.

Multikopter Aerodinamiği: Bir Hexacopter Üzerindeki İtme Kuvvetinin Karakterize Edilmesi

0 views09:48 min

Bu protokol, hexacopter itme ve aerodinamiği karakterize eder. Bu deney için, hexacopter için ticari olarak temin edilebilen, kullanıma hazır bileşenler kullandık ve ayrıntılar Tablo 2'de verilmiştir. Uçuş kontrolörü için, hexacopter'e verilen bireysel motor komutlarını kontrol etme esnekliği sağladığı için açık kaynaklı bir otopilot olan Librepilot⁹'u seçtik.

Yük hücresi ve hexacopter'in montajı için test standı, lamine kontrplak kullanılarak şirket içinde üretilmiştir ve Şekil 2'de gösterilmiştir. Test standını tasarlarken, multikopterin hücum açısının doğru bir şekilde ayarlanmasına izin vermesi ve motorları çalıştırırken oluşan eğilme kuvvetlerine ve titreşimlere dayanacak kadar sağlam olması gerektiğini unutmayın.

6 eksenli bir yük hücresi test standına monte edilir ve Şekil 3'de gösterildiği gibi veri toplama kartına bağlanır. Aerodinamik ve itme kuvvetleri, yük hücresi tarafından hexacopter'in gövde çerçevesinde algılanır. Gerinim ölçer verileri bir sinyal koşullayıcıdan geçer. Veri toplama (DAQ) kartı daha sonra yük hücresi üreticisi tarafından sağlanan bir kalibrasyon prosedürünü kullanarak analog kuvvet ve tork bileşenlerini alır. DAQ kartı daha sonra bu değerleri yüksek hızlı bir arabellekte ve daha sonra kalıcı diskte saklar.

Bu protokol için öncelikle tek tek motorlar tarafından üretilen kuvvetleri belirleyin. Daha sonra çıplak uçak gövdesine etki eden kuvvetleri belirleyin, ardından motor RPM komutlarının bir fonksiyonu olarak tüm hexacopter tarafından üretilen kuvvetleri belirleyin. Her test için tüm motorlara aynı RPM komutlarını verin.

1. Dinamometre Deneyi

Dinamometre, itme, tork, RPM, akü voltajı ve akım dahil olmak üzere parametrelerin doğrudan ölçülmesini sağlar. Elektrik gücü, mekanik güç ve motor verimliliği gibi parametreler daha sonra Denklem (3), (4) ve (5)'ten türetilebilir.

Dinamometreyi bir USB konektörü kullanarak DAQ bilgisayarına bağlayın.
Dinamometre ile birlikte verilen grafik kullanıcı arabirimini (GUI) çalıştırın.
Ekranda verilen talimatları izleyerek dinamometreyi kalibre edin. İstendiğinde ağırlıkları ve bilinen bir kol kolunu kullanın.
Motoru dinamometre test standına monte edin.
Pervaneyi, Şekil 4'de gösterildiği gibi bir çektirme (traktör) konfigürasyonunda takın.
Pili dinamometreye bağlayın.
C-cl kullanarak dinamometreyi tezgaha sıkıca sabitleyin.amps.
Adım giriş programını çalıştırın ve itme, tork, motor devri, motor akımı ve darbe genişlik modülasyonu (PWM) "gaz kelebeği" komutu dahil olmak üzere ölçülen parametreleri kaydedin.

2. Statik İtme Testi

Montaj vidalarını kullanarak hexacopter'i yük hücresi test standına sabitleyin.
Veri Toplama Sistemi'ni (DAQ) açın ve yük hücresi gerinim ölçer sapma programını çalıştırın.
Hexacopter uçuş kontrol cihazını bir mikro USB kablosu kullanarak bilgisayara bağlayın ve Yer Kontrol İstasyonu (GCS) yazılımını açın.
Güç kaynağını hexacopter'e bağlayın.
GCS'de Yapılandırma sekmesini -> Çıkış'ı seçin. Tüm motorları bağlayın ve çıkışların Canlı testini kontrol edin.
İstenen gaz kelebeği komutunu 1300 ms olarak ayarlayın. Tüm motorları aynı gaz kelebeği (PWM) komutuyla çalıştırabildiğinizden emin olun.
Sistemin birkaç saniye stabilize olmasına izin verin ve ardından yük hücresinden veri toplamak için DAQ programını çalıştırın.
Veri toplama işlemi tamamlandıktan sonra motorları durdurun.
3. adımları tekrarlayın. Gaz kelebeği komutları için 6 ila 3,8 1500 ms ve 1700 ms.
DAQ sisteminde depolanan verileri bir veri işleme bilgisayarına ve uzun süreli depolamaya aktarın.

3. Dinamik İtme Testi

Hexacopter'in doğrusal aerodinamik kuvvetlerini, özellikle kaldırma ve sürüklemeyi, çeşitli hava hızları ve geliş açıları üzerinde karakterize etmek ve analiz etmek için bir dizi rüzgar tüneli testi gerçekleştirin. Rüzgar tüneli deneyleri sırasında, hexacopter'in sabit uçuş koşullarında olduğu varsayılmaktadır. Bu nedenle, hekzakopter hız vektörünün büyüklüğü hava hızı ile aynıdır ve dünya çerçevesinde yatay olarak kabul edilir. Kaldırma ve sürükleme kuvvetleri, öncelikle hexacopter etrafındaki hava akışından kaynaklanır. Kaldırma ve sürükleme kuvvetlerinin hexacopter üzerindeki toplam kaldırma ve toplam sürtünmeyi karakterize ettiğinin varsayıldığına dikkat edin; Yan kuvvetler yok denecek kadar azdır.

Bu deneyde gerçekleştirilen deneysel prosedür, Foster¹⁰ ve Russell¹¹'da bildirilenlere benzer. Rüzgar tüneli testi sırasında, hexacopter, tüm testler boyunca tutarlı güç ve voltaj seviyeleri sağlamak için bina (AC) gücüne bağlı bir güç dönüştürücü tarafından çalıştırıldı. Yüksek RPM'lerdeki motorların kayda değer akım tüketebileceğini unutmayın; Çalışma sırasında tel boyunca kayda değer voltaj düşüşünü önlemek için düşük ölçülü ve kısa uzunlukta kablo kullanın.

Hexacopter'i yük hücresi test standına monte edin
Yük hücresini DAQ bilgisayarına bağlayın ve Statik İtme Testi için açıklanan prosedürü kullanarak hexacopter'i GCS'ye bağlayın.
Test standını C-kelepçeleri ile rüzgar tünelinin tabanına sabitleyin.
Serbest akış bozukluğunu ve yansımasını en aza indirmek için multikopterin rüzgar tüneli duvarlarından, zeminden ve tavandan yeterince uzak olduğundan emin olun.
Bozulmamış hava akışını örneklemek için pitot tüplerini hexacopter'den birkaç metre uzağa monte edin. Pitot basınç sensörlerini DAQ sistemine bağlayın.
Test standının menteşe eklemini ayarlayarak hexacopter için eğim açısını 0°'ye ayarlayın. Rüzgar tünelinde hexacopter eğim açısı ve hücum açısı aynıdır.
Yük hücresi voltaj sapmalarını oluşturmak için önyargı programını çalıştırın.
Rüzgar tünelini 2,2 m/s rüzgar hızına başlatın.
Serbest akış akış hızı istenen değere ulaştığında, hexacopter motorları kapalıyken yük hücresinden temel FT okumalarını toplayın.
Gaz kelebeği komutunu 1300 ms'ye başlatın, FT ve pitot verilerini toplamadan önce rüzgar tünelindeki hava hızının oturmasına izin verin.
1500 ms ve 1700 ms gaz kelebeği komutları için 3.7 - 3.9 adımlarını tekrarlayın.
Tablo 3.5'de belirtildiği gibi farklı hexacopter eğim açıları ve rüzgar tüneli hava hızı değerleri için Adım 3.10 - 1'u tekrarlayın.