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.
2. Statik İtme Testi
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.
Kaynak: Prashin Sharma ve Ella M. Atkins, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü, Michigan Üniversitesi, Ann Arbor, MI
Multikopterler, çeşitli hobi ve ticari uygulamalar için popüler hale geliyor. Genellikle quadcopter (dört itici), hexacopter (altı itici) ve octocopter (sekiz itici) konfigürasyonları olarak bulunurlar. Burada, multikopter performansını karakterize etmek için deneysel bir süreci açıklıyoruz. Tahrik ünitesi yedekliliği sağlayan modüler küçük bir hexacopter platformu test edilmiştir. Bireysel statik motor itişi, bir dinamometre ve değişen pervane ve giriş komutları kullanılarak belirlenir. Bu statik itme daha sonra motor devrinin bir fonksiyonu olarak temsil edilir, burada RPM, motor gücü ve kontrol girişinden belirlenir. Hexacopter daha sonra 5' x 7' düşük hızlı devridaim rüzgar tünelinde bir yük hücresi test standına monte edilir ve aerodinamik kaldırma ve sürükleme kuvveti bileşenleri, uçuş sırasında değişen motor sinyallerinde, serbest akış akış hızında ve hücum açısında karakterize edildi.
Clothier1'da bildirildiği gibi, motor (tahrik ünitesi) arızasına karşı dayanıklılığı nedeniyle bu çalışma için bir hexacopter seçildi. Tahrik sistemindeki yedekliliğin yanı sıra, özellikle aşırı nüfuslu bölgeler için güvenli uçuş için yüksek güvenilirliğe sahip bileşenlerin seçimi de gereklidir. Ampatis2'de yazarlar, motorlar, bıçaklar, piller ve elektronik hız kontrol cihazları gibi multikopter parçalarının en uygun seçimini tartışıyorlar. Benzer araştırmalar, görev gereksinimlerini karşılamak için bir pervane sisteminin uygun seçimine odaklanan Bershadsky3'de de bildirilmiştir. Bileşenlerin yedekliliği ve güvenilirliğinin yanı sıra, uçuş zarfı sınırlarına uyulmasını sağlamak ve en verimli tasarımı seçmek için araç performansını anlamak da önemlidir.
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.
2. Statik İtme Testi
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.
Multikopterler, tek ana rotorlu geleneksel helikopterlerin aksine, birden fazla rotorlu küçük hava araçlarıdır. Geleneksel bir helikopter rotoru, pilotun kaldırma ve direksiyonu kontrol etmesini sağlayan değişken eğime sahiptir. Bununla birlikte, multikopterler sabit hatveli rotorlara güvenir. Bazıları saat yönünde, bazıları saat yönünün tersine döner. Uçuş, bir veya daha fazla rotorun hızı değiştirilerek kontrol edilir. Örneğin bu hexacopter'de pervanelerin tamamı aynı hızda çalışmaktadır. Bu, havada asılı kalması için aynı itme kuvvetini üretir.
Sabit kanatlı uçaklar gibi, hexacopter tutumu da üç eksen hakkında tanımlanır: eğim ekseni, yuvarlanma ekseni ve sapma ekseni. Hexacopter, hatve ekseninin bir tarafındaki pervanelerin hızını artırarak ve diğer taraftakilerin hızlarını azaltarak yunuslama ekseni etrafında kontrol edilebilir. Bu, iki taraf arasında bir itme farkı yaratır. Arka pervanelerde itme kuvveti artar ve ön pervanelerde azalırsa, hexacopter öne doğru eğilir.
Benzer şekilde, hexacopter de aynı şekilde yuvarlanma ekseni etrafında kontrol edilebilir. Bu, yan yana harekete neden olur. Bu, bir taraftaki pervanelerin hızını artırarak ve diğer taraftaki pervanelerin hızını azaltarak yapılır.
Yön açısını değiştiren sapma kontrolü, saat yönünde pervane dönüş torkları ile saat yönünün tersine pervane dönüş torklarının dengelenmesiyle elde edilir. Pervaneleri saat yönünün tersine pervanelerden daha hızlı döndürerek, zıt net reaksiyon, sapma ekseni etrafında saat yönünde bir dönüşe neden olur.
Gösterilen denklemleri kullanarak her bir pervane ünitesinin itme ve torkunu hesaplayabiliriz. burada T üretilen itme kuvvetidir, CT itme katsayısıdır, tau torktur, CQ tork katsayısıdır ve omega RPM cinsinden dönme hızıdır. Hem elektrik güç girişi hem de mekanik güç çıkışı aşağıdaki denklemler kullanılarak hesaplanabilir. Elektrik ve mekanik güç daha sonra pervane motorunun verimliliğini belirlemek için kullanılır. İki katsayı, elektrik ve mekanik güç ile birlikte, deneylerden elde edilen veriler kullanılarak hesaplanır.
Bu laboratuvarda, bir test standına monte edilmiş bir yük hücresi kullanarak bir hexacopter üzerindeki aerodinamik ve itme kuvvetlerinin nasıl hesaplanacağını göstereceğiz. Ardından, bir rüzgar tüneli kullanarak bir dizi hava hızında kaldırma ve sürüklemeyi karakterize edecek ve analiz edeceğiz.
Bu deneye başlamak için, bir pervanenin parametrelerini ölçmek ve hesaplamak için bir dinamometre kullanacağız. İlk olarak, yerleşik bir veri toplama sistemine sahip bir dinamometre edinin. Dinamometre sistemi ile sağlanan grafik kullanıcı arayüzünü çalıştırın. Motoru dinamometre test standına monte edin ve tüm cihaz kablolarını bağlayın. Ardından, ekrandaki talimatları izleyerek, istendiğinde ağırlıkları ve bilinen kol kolunu kullanarak sistemi kalibre edin.
Kalibrasyon tamamlandıktan sonra, pervaneyi bir ?çektirme? konfigürasyon. Deneyleri çalıştırmadan önce, dinamometrenin C-kelepçeler kullanılarak tezgaha sıkıca sabitlendiğinden ve bir pleksiglas koruma duvarının arkasına yerleştirildiğinden emin olun.
Şimdi pili dinamometreye bağlayın. Darbeli bir sinyal kullanarak DC motorlara güç sağlayan adım giriş programını çalıştırın. Program, modülasyonlu gaz kelebeği komutu ile ölçülen itme, tork, motor devri, motor akımı ve darbeyi kaydedecektir.
Deneyin bu kısmında, rüzgar tüneli duvarlarından kaynaklanan rahatsızlıkları önlemek için rüzgar tünelinin dışında bir yük hücresi kullanarak hexacopter'den gelen itme kuvvetini ölçeceğiz.
İlk olarak, montaj vidalarını kullanarak hexacopter'i yük hücresi test standına sabitleyin. Ardından, veri toplama sistemini açın ve tüm sapma yük hücresi değerlerini kaldırmak için yük hücresi gerinim ölçer sapma programını çalıştırın. Hexacopter uçuş kontrol cihazını bir mikro USB kablosu kullanarak bilgisayara bağlayın ve güç kaynağını hexacopter'e bağlayın.
Ardından, yer kontrol istasyonu programını açın. Konfigürasyon sekmesi altında, sağ taraftaki onay işaretine tıklayarak tüm motorları bağlayın. Çıkış kanalı kaydırıcısını 1.300 mikrosaniyede istenen kısma komutuna getirin. Sistemin birkaç saniye stabilize olmasına izin verin ve ardından yük hücresinden veri toplamak için programı çalıştırın.
Program tamamlandığında, çıkış kanalı sürgülerini yer kontrol istasyonunda sola hareket ettirerek motorları durdurun. Testi 1.500 ve 1.700 mikrosaniyelik gaz kelebeği komutlarıyla tekrarlayın. Ardından motorları durdurun ve bir sonraki testte rüzgar tüneli ölçümleri için temel olarak kullanmak üzere tüm verileri bir flash sürücüye aktarın.
Deneyin bir sonraki bölümünde, hava akımı olan rüzgar tünelinin içinde yapılması dışında aynı testi yapacağız. Başlamak için hexacopter'i yük hücresi test standına monte edin. Ardından, yük hücresini veri toplama bilgisayarına bağlayın ve hexacopter'ı yer kontrol istasyonuna bağlayın. Test standını C-kelepçeleri kullanarak rüzgar tünelinin tabanına sabitleyin ve serbest akış akışı bozukluklarını en aza indirmek için hexacopter'in rüzgar tüneli duvarlarından, zemininden ve tavanından arınmış olduğundan emin olun.
Ardından, endüstriyel bant kullanarak rüzgar tünelinin içine iki pitot tüpü monte edin ve bozulmamış hava akışını örneklemek için bunları hexacopter'den birkaç metre uzağa yerleştirdiğinizden emin olun. Şimdi, hexacopter'in eğim açısını 0 olarak ayarlayın? test standının menteşe eklemini ayarlayarak. Ardından rüzgar tünelini kapatın.
Pitot tüpü sensörlerini veri toplama sistemine bağlayın. Ardından, yük hücresi voltaj sapmalarını oluşturmak için önyargı programını çalıştırın. Ardından, rüzgar tünelini başlatın ve rüzgar hızını yaklaşık 430 ft/dak veya 2'ye ayarlayın. 2 m/sn. Serbest akış akış hızı istenen değere ulaştığında, hexacopter motorları kapalıyken temel kaldırma ve sürükleme okumalarını yük hücresinden toplayın.
Şimdi, gaz kelebeği komutunu 1.300 mikrosaniyeye başlatarak hexacopter motorlarını açın. Rüzgar tünelindeki hava hızının yerleşmesine izin verin ve ardından okumaları yük hücresinden ve pitot tüplerinden toplayın. Ardından, çeşitli hexacopter eğim açılarında ve rüzgar tüneli hava hızlarında üç gaz kelebeği komut ayarı için testi tekrarlayın. Karmaşıklığı azaltmak için, her zaman sıfır sapma açısı korunmuştur.
Şimdi sonuçları yorumlayalım. İlk olarak, dinamometre deneyinden toplanan itme kuvvetine karşı RPM ve torka karşı RPM verilerini çizin.
Burada, bir motorun verilerini gösteriyoruz. Grafikler, motor RPM'sindeki bir artışın tork ve itme kuvvetinde bir artışa neden olduğunu göstermektedir. Şimdi, verilere aşağıdaki denklemler şeklinde ikinci dereceden bir eğri sığdırın. İkinci dereceden ilişkiyi kullanarak, daha sonra itme katsayısını, CT'yi ve tork katsayısını, CQ'yu belirleyebiliriz.
Ardından, 3 boyutlu bir çizim üzerinde giriş motoru RPM'sini, elektrik gücünü ve gaz kelebeği komutunu çizin. Hexacopter'imizde doğrudan RPM sensörü geri bildirimi olmadığından, elektrik gücü ve gaz kelebeği komutunun bir fonksiyonu olarak gerçek RPM'yi elde etmek için verilere bir polinom yüzeyi sığdırdık.
Şimdi dinamometre sonuçlarına baktığımıza göre, burada listelenen parametreler kullanılarak yapılan rüzgar tüneli deneylerine bir göz atalım. Sürükleme ve kaldırma varyasyonu, test edilen farklı eğim açılarına göre çizilir. Her iki çizim de gaz kelebeği komutunun arttırılmasının, kaldırma veya motor itişinde önemli bir artışa ve ayrıca sürüklenmede bir artışa neden olduğunu göstermektedir. Rüzgar tüneli hava hızındaki bir artış, kaldırmayı önemli ölçüde artırmaz. Bununla birlikte, daha yüksek hava hızı, hexacopter'e etki eden sürükleme kuvvetinde önemli bir artışa neden oldu.
Özetle, aerodinamik kuvvetlerin multikopterlerin uçuşunu nasıl kontrol ettiğini öğrendik. Daha sonra bir rüzgar tünelinde bir hexacopter'i test ettik ve çeşitli hava hızlarında üretilen kaldırma ve sürükleme kuvvetlerini analiz ettik.
Dinamometre Testleri
Şekil 5-6'da, çizimler, artan motor devri ile sırasıyla itme ve tork değişimini göstermektedir. Bu grafiklerden, multikopterin havada asılı kalması için gereken minimum motor RPM'si belirlenebilir. Birden fazla pervaneden gelen verileri gösteren bir çizim Sharma12'den elde edilebilir. Ayrıca, Denklem (1) ve (2)'de açıklanan itme ile RPM ve moment ile RPM arasındaki ikinci dereceden ilişkiler açıkça gözlemlenebilir. Bu ikinci dereceden i...
Burada bir hexacopter üzerine etki eden aerodinamik kuvvetleri karakterize etmek için bir protokol açıklıyoruz. Bu protokol doğrudan diğer çok rotorlu konfigürasyonlara uygulanabilir. Kontrol tasarımını iyileştirmek, uçuş zarfı sınırlarını anlamak ve Xiang13'te olduğu gibi yerel rüzgar alanlarını tahmin etmek için aerodinamik kuvvetlerin uygun şekilde karakterizasyonuna ihtiyaç vardır. Güç tüketimi ve gaz kelebeği komutuna dayalı olarak motor RPM'sini belirlemek için sunulan protokol, RPM algılaması olmayan dü...
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: