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Multicopter Aerodynamics: Characterizing Thrust on a Hexacopter Multicopter

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Les multicoptères sont de petits véhicules aériens avec plusieurs rotors, par opposition aux hélicoptères traditionnels avec un rotor principal. Un rotor d'hélicoptère traditionnel a une hauteur variable, ce qui permet au pilote de contrôler la portance et la direction. Cependant, les multicopters s'appuient sur des rotors à pas fixes. Certains tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, et d'autres tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Le vol est contrôlé en variant la vitesse d'un ou plusieurs rotors. Par exemple, dans cet hexacopter, toutes les hélices fonctionnent à la même vitesse. Cela produit la même poussée pour qu'il plane.

Comme les aéronefs à voilure fixe, l'attitude des hexacopters est décrite sur trois axes : l'axe de tangage, l'axe de roulis et l'axe de lacet. L'hexacopter peut être contrôlé sur l'axe de tangage en augmentant la vitesse des hélices d'un côté de l'axe de tangage et en diminuant les vitesses de ceux de l'autre côté. Cela crée un différentiel de poussée entre les deux côtés. Si la poussée est augmentée dans les hélices arrière et diminuée dans les hélices avant, l'hexacopter se lance vers l'avant.

De même, l'hexacopter peut être contrôlé sur l'axe de roulis de la même manière. Cela provoque des mouvements d'un côté à l'autre. Cela se fait en augmentant la vitesse des hélices d'un côté et en diminuant la vitesse des hélices de l'autre côté.

Le contrôle de la toit, qui modifie l'angle de cap, est réalisé en équilibrant les couplets de rotation de l'hélice dans le sens des aiguilles d'une montre avec les couplets de rotation de l'hélice dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. En faisant tourner les hélices dans le sens inverse des aiguilles d'une montre plus rapidement que les hélices dans le sens des aiguilles d'une montre, la réaction nette opposée induit une rotation dans le sens des aiguilles d'une montre autour de l'axe de lacet.

Nous pouvons calculer la poussée et le couple de chaque unité d'hélice à l'aide des équations indiquées. où le T est la poussée générée, le CT est le coefficient de poussée, le tau est le couple, le CQ est le coefficient de couple, et l'oméga est la vitesse de rotation en RPM. L'entrée d'énergie électrique et la puissance mécanique peuvent être calculées à l'aide des équations suivantes. La puissance électrique et mécanique est ensuite utilisée pour déterminer l'efficacité du moteur de l'hélice. Les deux coefficients, ainsi que la puissance électrique et mécanique, sont calculés à partir des données acquises à partir d'expériences.

Dans ce laboratoire, nous allons démontrer comment calculer les forces aérodynamiques et de poussée sur un hexacopter à l'aide d'une cellule de charge montée sur un banc d'essai. Ensuite, nous caractériserons et analyserons la portance et la traînée sur une gamme de vitesses d'air à l'aide d'une soufflerie.

Pour commencer cette expérience, nous utiliserons un dynamomètre pour mesurer et calculer les paramètres d'une hélice. Tout d'abord, obtenir un dynamomètre avec un système d'acquisition de données à bord. Exécutez l'interface utilisateur graphique fournie avec le système dynamomètre. Montez le moteur sur le support d'essai du dynamomètre et connectez tous les fils de l'appareil. Ensuite, étalonnez le système en suivant les instructions à l'écran, en utilisant des poids et le bras de levier connu lorsqu'il est invité.

Une fois l'étalonnage terminé, attachez l'hélice dans une configuration 'puller'. Avant d'exécuter les expériences, assurez-vous que le dynamomètre est solidement fixé à l'établi à l'aide de pinces C, et qu'il est placé derrière un mur de protection en plexiglas.

Maintenant, connectez la batterie au dynamomètre. Exécutez le programme d'entrée d'étape, qui alimente les moteurs DC à l'aide d'un signal pulsé. Le programme enregistrera la poussée mesurée, le couple, le régime moteur, le courant moteur et l'impulsion avec la commande de la manette des gaz de modulation.

Pour cette partie de l'expérience, nous mesurerons la poussée de l'hexacopter à l'aide d'une cellule de charge à l'extérieur de la soufflerie pour éviter les perturbations des parois de la soufflerie.

Tout d'abord, attachez l'hexacopter sur le support d'essai de la cellule de charge à l'aide de vis de montage. Ensuite, ouvrez le système d'acquisition de données et exécutez le programme de biais de jauge de contrainte de cellule de charge pour supprimer toutes les valeurs de cellules de charge de biais. Connectez le contrôleur de vol hexacopter à l'ordinateur à l'aide d'un micro câble USB, et connectez l'alimentation à l'hexacopter.

Ensuite, ouvrez le programme de la station de contrôle au sol. Sous l'onglet configuration, liez tous les moteurs en cliquant sur la marque de tique sur le côté droit. Déplacez le curseur du canal de sortie à la commande de la manette des gaz désirée à 1 300 microsecondes. Laissez le système se stabiliser pendant quelques secondes, puis exécutez le programme pour recueillir des données à partir de la cellule de charge.

Lorsque le programme est terminé, arrêtez les moteurs en déplaçant les curseurs de canal de sortie vers la gauche sur la station de contrôleur au sol. Répétez le test avec des commandes de gaz de 1 500 et 1 700 microsecondes. Ensuite, arrêtez les moteurs, et transférez toutes les données sur un lecteur flash à utiliser comme une ligne de base pour les mesures de soufflerie dans le prochain test.

Pour la prochaine partie de l'expérience, nous effectuerons le même essai, sauf qu'il sera fait à l'intérieur de la soufflerie avec le flux d'air. Pour commencer, montez l'héxacopter sur le support d'essai des cellules de charge. Ensuite, connectez la cellule de charge à l'ordinateur d'acquisition de données, et connectez l'hexacopter à la station de contrôle au sol. Fixez le banc d'essai jusqu'à la base de la soufflerie à l'aide de pinces C, en vous assurant que l'hexacopter est exempt des murs de la soufflerie, du plancher et du plafond afin de minimiser les perturbations du débit des cours d'eau libres.

Ensuite, montez deux tubes pitot à l'intérieur de la soufflerie à l'aide de ruban adhésif industriel, en veillant à les placer à quelques pieds de l'hexacopter pour échantillonner le flux d'air non perturbé. Maintenant, réglez l'angle de tangage de l'hexacopter à 0 degrés en ajustant l'articulation de charnière du banc d'essai. Ensuite, fermez la soufflerie.

Connectez les capteurs de tubes pitot au système d'acquisition de données. Ensuite, exécutez le programme de biais pour établir les biais de tension de cellules de charge. Ensuite, initialisez la soufflerie et fixez la vitesse du vent à environ 430 pi/min, ou 2. 2 m/s. Une fois que la vitesse de flux libre se dépose à la valeur désirée, recueillir les lectures de levage de base et de traînée de la cellule de charge avec les moteurs hexacopter éteint.

Maintenant, allumez les moteurs hexacopter en initialisant la commande de la manette des gaz à 1300 microsecondes. Laissez la vitesse de l'air dans la soufflerie s'installer, puis recueillir les lectures de la cellule de charge et des tubes pitot. Ensuite, répétez le test pour les trois réglages de commande de la manette des gaz à des angles de pas hexagonaux variés et des vitesses d'air en soufflerie. Pour réduire la complexité, un angle zéro-lacet a été maintenu en tout temps.

Maintenant, nous allons interpréter les résultats. Tout d'abord, tracez la poussée par rapport au RPM et le couple par rapport aux données RPM recueillies à partir de l'expérience dynamomètre.

Ici, nous montrons les données pour un moteur. Les parcelles illustrent qu'une augmentation de la RPM moteur entraîne une augmentation du couple et de la poussée. Maintenant, s'adapter à une courbe quadratique aux données sous la forme des équations suivantes. En utilisant la relation quadratique, nous pouvons alors déterminer le coefficient de poussée, CT, et le coefficient de couple, CQ.

Ensuite, tracez le moteur d'entrée RPM, l'alimentation électrique et la commande de la manette des gaz sur une parcelle 3D. Puisqu'il n'y a aucune rétroaction directe de capteur de RPM sur notre hexacopter, nous avons adapter une surface polynomiale aux données pour obtenir le RPM réel en fonction de la puissance électrique et de la commande de gaz.

Maintenant que nous avons examiné les résultats du dynamomètre, jetons un coup d'œil aux expériences en soufflerie menées à l'aide des paramètres énumérés ici. La variation de la traînée et de la portance est tracée par rapport aux différents angles de tangage testés. Les deux parcelles montrent que l'augmentation de la commande de la manette des gaz entraîne une augmentation significative de la portance, ou poussée du moteur, ainsi qu'une augmentation de la traînée. L'augmentation de la vitesse de l'air en soufflerie n'augmente pas considérablement la portance. Cependant, une vitesse d'air plus élevée a entraîné une augmentation significative de la force de traînée agissant sur l'hexacopter.

En résumé, nous avons appris comment les forces aérodynamiques contrôlent le vol des multicopters. Nous avons ensuite testé un hexacopter dans une soufflerie et analysé les forces de levage et de traînée produites sur une gamme de vitesses d'air.

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