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多直升机空气动力学:六轴飞行器上的特征推力
 

多直升机空气动力学:六轴飞行器上的特征推力

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多直升机是具有多个转子的小型飞行器,而传统的直升机则具有一个主旋翼。传统的直升机旋翼具有可变俯仰,使飞行员能够控制提升和转向。然而,多直升机依靠固定螺距转子。有些顺时针旋转,有些逆时针旋转。飞行通过改变一个或多个转子的速度来控制。例如,在这个六轴飞行器中,所有的螺旋桨都以相同的速度工作。这会产生相同的推力,使其悬停。

与固定翼飞机一样,六轴飞机姿态被描述为三个轴:俯仰轴、滚动轴和偏航轴。六轴可以控制六轴通过增加螺旋桨的速度在俯仰轴的一侧和降低另一侧螺旋桨的速度。这在两侧之间造成了一个推力差。如果后螺旋桨的推力增加,前进螺旋桨的推力减小,六轴飞行器将向前推。

同样,六轴可以以同样的方式控制六轴。这会导致侧向移动。这是通过提高螺旋桨在一侧的速度和降低螺旋桨的速度另一侧。

Yaw 控制通过平衡顺时针螺旋桨旋转扭矩与逆时针螺旋桨旋转扭矩来实现,它改变了方向角度。通过逆时针螺旋桨比顺时针螺旋桨旋转得更快,相反的净反应可引起绕偏航轴顺时针旋转。

我们可以用所示的方程计算每个螺旋桨单元的推力和扭矩。其中 T 是产生的推力,CT 是推力系数,tau 是扭矩,CQ 是扭矩系数,欧米茄是转速中的转速。可以使用以下方程计算功率输入和机械功率输出。然后,使用电气和机械功率来确定螺旋桨电机的效率。这两个系数以及电气和机械功率都是使用从实验中获得的数据计算的。

在本实验中,我们将演示如何使用安装在测试台上的称重传感器计算六轴飞行器上的空气动力学和推力力。然后,我们将使用风洞对提升和拖动范围进行描述和分析。

为了开始这个实验,我们将使用测功机来测量和计算一个螺旋桨的参数。首先,获得带有机载数据采集系统的测功机。运行测功机系统提供的图形用户界面。将电机安装在测功机测试台上并连接所有设备导线。然后,按照屏幕上的说明校准系统,在提示时使用重量和已知的杠杆臂。

校准完成后,以"拉拔器"配置连接螺旋桨。在进行实验之前,请确保使用 C 形夹将测功机牢固地固定在工作台上,并将其放置在有机玻璃保护墙后面。

现在将电池连接到测功机。运行步进输入程序,该程序使用脉冲信号为直流电机供电。该程序将通过调制节气门命令记录测量的推力、扭矩、电机转速、电机电流和脉冲。

在实验的这一部分,我们将使用风洞外的称重传感器测量六轴飞行器的推力,以避免风洞墙壁的干扰。

首先,使用安装螺钉将六轴飞行器固定在称重传感器测试台上。然后,打开数据采集系统并运行称重传感器应变片偏置程序,以删除所有偏置称重传感器值。使用微型 USB 电缆将六轴飞行器飞行控制器连接到计算机,并将电源连接到六轴飞行器。

然后,打开地面控制器站程序。在"配置"选项卡下,通过单击右侧的刻度线链接所有电机。以 1,300 微秒的速度将输出通道滑块移到所需的节气门命令中。让系统稳定几秒钟,然后运行程序从称重传感器收集数据。

程序完成后,通过将输出通道滑块移到接地控制器站上的左侧来停止电机。使用 1,500 和 1,700 微秒的油门命令重复测试。然后停止电机,并将所有数据传输到闪存驱动器,作为下一次测试中风洞测量的基准。

在实验的下一部分,我们将进行同样的测试,只不过它将在带气流的风洞内进行。首先,将六轴飞行器安装在称重传感器测试台上。然后,将称重传感器连接到数据采集计算机,并将六轴飞行器连接到地面控制站。使用 C 形夹将测试台固定到风洞底部,确保六轴飞行器没有风洞壁、地板和天花板,以尽量减少自由流动干扰。

然后,使用工业胶带在风洞内安装两个皮托管,确保将它们放置在离六轴飞行器几英尺远的地方,以样品未受干扰的气流。现在,通过调整测试台的铰链接头,将六轴飞行器的俯仰角设置为 0°。然后,关闭风洞。

将皮托管传感器连接到数据采集系统。接下来,运行偏置程序以建立称重传感器电压偏差。然后,初始化风洞,并将风速设置为约 430 英尺/分钟,即 2。2 米/s。自由流流量速度稳定到所需值后,在六轴飞行器电机关闭时,收集基线提升并拖动称重传感器的读数。

现在,通过将油门命令初始化为 1,300 微秒,打开六轴飞行器电机。让风洞中的空气速度稳定下来,然后从称重传感器和皮托管收集读数。然后,在不同六轴飞行器俯仰角度和风洞空气速度下,再次重复测试三个节气门命令设置。为了降低复杂性,始终保持零偏航角度。

现在,让我们来解释结果。首先,绘制从测功机实验中收集的推力与转速和扭矩与 RPM 数据。

在这里,我们展示一个电机的数据。这些图表明,电机转速的增加会导致扭矩和推力的增加。现在,以以下方程的形式将二次曲线拟合到数据中。利用二次关系,确定推力系数、CT和扭矩系数CQ。

接下来,在三维图上绘制输入电机转速、电力和节气门命令。由于我们的六轴飞行器上没有直接的 RPM 传感器反馈,因此我们在数据上拟合一个多项式表面,以获得实际 RPM 作为电力和节气门命令的函数。

现在,我们已经查看了测功机结果,让我们来看看使用此处列出的参数进行的风洞实验。根据测试的不同螺距角度绘制拖动和提升的变化。两个图都显示,增加油门命令会导致提升或电机推力显著增加,以及阻力增加。风洞空气风速的增加不会显著增加提升。然而,较高的空气速度确实导致作用于六轴飞行器的阻力显著增加。

总之,我们学习了空气动力如何控制多直升机的飞行。然后,我们在风洞中测试了六轴飞行器,并分析了在一系列空气速度上产生的提升和阻力。

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