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Multicopter Aerodynamik: Charakterisierender Schub auf einem Hexacopter

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Multicopter sind kleine Luftfahrzeuge mit mehreren Rotoren, im Gegensatz zu herkömmlichen Hubschraubern mit einem Hauptrotor. Ein herkömmlicher Hubschrauberrotor hat eine variable Steigung, die es dem Piloten ermöglicht, Lift und Lenkung zu steuern. Multikopter setzen jedoch auf fest sitzende Pitch-Rotoren. Einige drehen sich im Uhrzeigersinn, andere gegen den Uhrzeigersinn. Der Flug wird durch Variation der Geschwindigkeit eines oder mehrerer Rotoren gesteuert. In diesem Hexacopter arbeiten beispielsweise alle Propeller mit der gleichen Geschwindigkeit. Dies erzeugt den gleichen Schub für sie zu schweben.

Wie Festflügelflugzeuge wird die Hexacopter-Haltung über drei Achsen beschrieben: die Pitch-Achse, die Rollachse und die Gähnenachse. Der Hexacopter kann über die Pitch-Achse gesteuert werden, indem die Geschwindigkeit der Propeller auf einer Seite der Pitch-Achse erhöht und die Geschwindigkeiten der Propeller auf der anderen Seite verringert werden. Dadurch entsteht ein Schubunterschied zwischen den beiden Seiten. Wenn der Schub in den hinteren Propellern erhöht und in den vorderen Propellern verringert wird, schlägt der Hexacopter nach vorne.

Ebenso kann der Hexacopter auf die gleiche Weise über die Walzenachse gesteuert werden. Dies führt zu einer Bewegung von Seite zu Seite. Dies geschieht durch Die Erhöhung der Geschwindigkeit der Propeller auf der einen Seite und die Verringerung der Geschwindigkeit der Propeller auf der anderen Seite.

Die Yaw-Steuerung, die den Richtungswinkel ändert, wird durch den Ausgleich der Drehungsmomente des Propellers im Uhrzeigersinn mit den gegen den Uhrzeigersinn gerichteten Propellerdrehmomenten erreicht. Durch drehen die gegen den Uhrzeigersinn Propeller schneller als die im Uhrzeigersinn Propeller, die entgegengesetzte Netzreaktion induziert eine Drehung im Uhrzeigersinn um die Gähnachse.

Wir können den Schub und das Drehmoment jeder Propellereinheit anhand der dargestellten Gleichungen berechnen. wobei T der erzeugte Schub ist, CT der Schubkoeffizient, Tau das Drehmoment, CQ der Drehmomentkoeffizient und Omega die Drehzahl in Drehzahl. Sowohl der elektrische Leistungseingang als auch die mechanische Leistung können mit den folgenden Gleichungen berechnet werden. Die elektrische und mechanische Leistung werden dann verwendet, um den Wirkungsgrad des Propellermotors zu bestimmen. Die beiden Koeffizienten werden zusammen mit der elektrischen und mechanischen Leistung anhand von Daten berechnet, die aus Experimenten gewonnen wurden.

In diesem Labor zeigen wir, wie man aerodynamische und Schubkräfte auf einem Hexacopter mit einer auf einem Prüfstand montierten Wägezelle berechnet. Dann werden wir den Hub und den Luftwiderstand über eine Reihe von Luftgeschwindigkeiten mit einem Windkanal charakterisieren und analysieren.

Um dieses Experiment zu starten, verwenden wir einen Dynamometer, um Parameter eines Propellers zu messen und zu berechnen. Besorgen Sie sich zunächst ein Dynamometer mit einem onboard-Datenerfassungssystem. Führen Sie die grafische Benutzeroberfläche aus, die mit dem Dynamometersystem bereitgestellt wird. Montieren Sie den Motor am Prüfstand des Dynamometers und schließen Sie alle Gerätedrähte an. Anschließend kalibrieren Sie das System, indem Sie den Anweisungen auf dem Bildschirm folgen, indem Sie Gewichte und den bekannten Hebelarm verwenden, wenn Sie dazu aufgefordert werden.

Sobald die Kalibrierung abgeschlossen ist, befestigen Sie den Propeller in einer "Puller"-Konfiguration. Stellen Sie vor dem Ausführen der Experimente sicher, dass der Dynamometer mit C-Klemmen fest an der Werkbank befestigt ist und hinter einer Plexiglasschutzwand platziert wird.

Schließen Sie nun die Batterie an den Prüfstand an. Führen Sie das Schritteingangsprogramm aus, das die DC-Motoren mit einem gepulsten Signal antreibt. Das Programm zeichnet den gemessenen Schub, das Drehmoment, die Motordrehzahl, den Motorstrom und den Puls mit dem Modulationsbefehl auf.

Für diesen Teil des Experiments werden wir den Schub des Hexacopters mit einer Wägezelle außerhalb des Windkanals messen, um Störungen durch die Windkanalwände zu vermeiden.

Befestigen Sie zunächst den Hexacopter mit Befestigungsschrauben am Prüfstand der Wägezelle. Öffnen Sie dann das Datenerfassungssystem, und führen Sie das Spannungsmesser-Bias-Programm für Lastzellen aus, um alle Bias-Wägezellenwerte zu entfernen. Schließen Sie den Hexacopter-Flugcontroller über ein Micro-USB-Kabel an den Computer an, und schließen Sie das Netzteil an den Hexacopter an.

Öffnen Sie dann das Bodensteuerungsstationsprogramm. Verknüpfen Sie unter der Registerkarte Konfiguration alle Motoren, indem Sie auf das Häkchen auf der rechten Seite klicken. Bewegen Sie den Schieberegler für den Ausgabekanal in 1.300 Mikrosekunden auf den gewünschten Drosselbefehl. Lassen Sie das System für ein paar Sekunden stabilisieren und führen Sie dann das Programm aus, um Daten aus der Wägezelle zu sammeln.

Wenn das Programm abgeschlossen ist, stoppen Sie die Motoren, indem Sie die Schieberegler des Ausgangskanals nach links auf der Bodenreglerstation bewegen. Wiederholen Sie den Test mit Drosselbefehlen von 1.500 und 1.700 Mikrosekunden. Stoppen Sie dann die Motoren und übertragen Sie alle Daten an ein Flash-Laufwerk, das als Basis für die Windkanalmessungen im nächsten Test verwendet werden soll.

Für den nächsten Teil des Experiments werden wir den gleichen Test durchführen, außer dass er innerhalb des Windkanals mit Luftstrom durchgeführt wird. Montieren Sie zunächst den Hexacopter auf dem Wägezellen-Teststand. Verbinden Sie dann die Wägezelle mit dem Datenerfassungscomputer und verbinden Sie den Hexacopter mit der Bodenkontrollstation. Sichern Sie den Prüfstand an der Basis des Windkanals mit C-Klemmen, um sicherzustellen, dass der Hexacopter frei von Windkanalwänden, Boden und Decke ist, um Störungen des freien Durchflusses zu minimieren.

Montieren Sie dann zwei Pitot-Röhren im Inneren des Windkanals mit Industrieband, um sie ein paar Meter vom Hexacopter entfernt zu platzieren, um den ungestörten Luftstrom zu testen. Stellen Sie nun den Steigungswinkel des Hexacopters auf 0° ein, indem Sie das Scharniergelenk des Prüfstandes einstellen. Schließen Sie dann den Windkanal.

Schließen Sie die Pitot-Rohrsensoren an das Datenerfassungssystem an. Führen Sie als Nächstes das Bias-Programm aus, um die Spannungsverzerrungen der Wägezelle herzustellen. Dann initialisieren Sie den Windkanal und stellen Sie die Windgeschwindigkeit auf etwa 430 ft/min oder 2 ein. 2 m/s. Sobald sich die freie Strömungsgeschwindigkeit auf den gewünschten Wert absetzt, erfassen Sie den Basishub und ziehen Sie Messwerte aus der Wägezelle mit den Hexacopter-Motoren.

Schalten Sie nun die Hexacopter-Motoren ein, indem Sie den Befehl für die Drosselklappe auf 1.300 Mikrosekunden initialisieren. Lassen Sie die Luftgeschwindigkeit im Windkanal absetzen und sammeln Sie dann die Messwerte aus der Wägezelle und aus den Pitotröhren. Wiederholen Sie dann den Test für die drei Drosselbefehlseinstellungen bei unterschiedlichen Hexacopter-Pitch-Winkeln und Windkanal-Luftgeschwindigkeiten. Um die Komplexität zu reduzieren, wurde jederzeit ein Null-Gähnen-Winkel beibehalten.

Lassen Sie uns nun die Ergebnisse interpretieren. Zeichnen Sie zunächst die aus dem Dynamometerexperiment gesammelten Schub- und Drehmoment- und Drehmomentdaten im Vergleich zu Drehzahl.

Hier zeigen wir die Daten für einen Motor. Die Diagramme veranschaulichen, dass eine Erhöhung der Motordrehzahl zu einer Erhöhung von Drehmoment und Schub führt. Passen Sie nun eine quadratische Kurve in Form der folgenden Gleichungen an die Daten an. Anhand der quadratischen Beziehung können wir dann den Schubkoeffizienten CT und den Drehmomentkoeffizienten CQ bestimmen.

Als Nächstes zeichnen Sie den Befehl Desinzellenmotor Drehzahl, elektrische Leistung und Drosseln auf einem 3D-Plot. Da es kein direktes RPM-Sensorfeedback auf unserem Hexacopter gibt, haben wir eine Polynomoberfläche in die Daten einbauen, um die tatsächliche Drehzahl als Funktion des elektrischen Strom- und Drosselbefehls zu erhalten.

Nachdem wir uns nun die Ergebnisse des Dynamometers angesehen haben, werfen wir einen Blick auf die Windkanalexperimente, die mit den hier aufgeführten Parametern durchgeführt wurden. Die Variation von Luftwiderstand und Lift wird anhand der verschiedenen getesteten Steigungswinkel dargestellt. Beide Diagramme zeigen, dass die Erhöhung des Drosselbefehls zu einer signifikanten Erhöhung des Hub- oder Motorschubs sowie zu einer Zunahme des Luftwiderstands führt. Eine Erhöhung der Windkanal-Luftgeschwindigkeit erhöht den Auftrieb nicht wesentlich. Eine höhere Luftgeschwindigkeit hat jedoch zu einer deutlichen Erhöhung der Zugkraft auf den Hexacopter geführt.

Zusammenfassend haben wir gelernt, wie aerodynamische Kräfte den Flug von Multikoptern steuern. Anschließend testeten wir einen Hexacopter in einem Windkanal und analysierten die Hebe- und Schleppkräfte, die über eine Reihe von Luftgeschwindigkeiten erzeugt wurden.

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