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マルチコプターエアロダイナミクス
 

マルチコプターエアロダイナミクス:ヘキサコプター上の推力の特徴付け

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マルチコプターは、1つのメインローターを持つ従来のヘリコプターとは対照的に、複数のローターを持つ小型空中車両です。従来のヘリコプターローターは可変ピッチを備えており、パイロットはリフトとステアリングを制御できます。しかし、マルチコプターは固定ピッチローターに依存しています。時計回りに回転する人もいれば、反時計回りに回転する人もいます。飛行は、1つまたは複数のローターの速度を変えることによって制御されます。例えば、このヘキサコプターでは、すべてのプロペラが同じ速度で作動します。これにより、ホバーするのと同じ推力が生成されます。

固定翼航空機と同様に、ヘキサコプターの姿勢は、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸の3つの軸について説明されています。ヘキサコプターは、ピッチ軸の片側のプロペラの速度を上げ、反対側のプロペラの速度を下げることで、ピッチ軸を中心に制御できます。これにより、両側間に推力差異が作成されます。後部プロペラで推力が増加し、前方プロペラで減少した場合、ヘキサコプターは前方にピッチします。

同様に、ヘキサコプターはロール軸を同じように制御できます。これにより、左右の動きが発生します。これは、片側のプロペラの速度を上げ、反対側のプロペラの速度を下げることによって行われます。

見出し角を変えるヨーコントロールは、時計回りのプロペラ回転トルクと反時計回りのプロペラ回転トルクのバランスをとることで実現します。反時計回りのプロペラを時計回りに回転させることで、反対の正味反応はヨー軸を中心に時計回りの回転を誘発します。

示された方程式を使用して、各プロペラユニットの推力とトルクを計算することができます。ここでTは推力が発生し、CTは推力係数、タウはトルク、CQはトルク係数、オメガはRPMの回転速度です。電力入力と機械的電力出力の両方を、次の式で計算できます。電気および機械的な力はプロペラモーターの効率を決定するために使用される。この2つの係数は、電気的および機械的な力とともに、実験から得られたデータを用いて計算されます。

このラボでは、テストスタンドに搭載されたロードセルを使用して、ヘキサコプター上の空力力と推力力を計算する方法を示します。次に、風洞を使用して、さまざまな風速で揚力とドラッグを特徴付け、解析します。

この実験を開始するには、ダイナモメーターを使用して1つのプロペラのパラメータを測定し、計算します。まず、オンボードデータ集録システムを備えたダイナモメーターを取得します。ダイナモメーターシステムに付属のグラフィカルユーザーインターフェイスを実行します。ダイナモメーターテストスタンドにモーターを取り付け、すべてのデバイスワイヤを接続します。次に、プロンプトが表示されたときにウェイトと既知のレバーアームを使用して、画面の指示に従ってシステムを調整します。

キャリブレーションが完了したら、プロペラを「引き取り」構成に取り付けます。実験を実行する前に、ダイナモメーターがCクランプを使用してワークベンチにしっかりと固定され、プレキシガラス保護壁の後ろに配置されていることを確認してください。

次に、バッテリーをダイナモメーターに接続します。パルス信号を使用してDCモータに電力を与えるステップ入力プログラムを実行します。プログラムは変調スロットルコマンドで測定された推力、トルク、モータRPM、モータ電流、およびパルスを記録します。

実験のこの部分では、風洞壁からの乱れを避けるために、風洞の外側のロードセルを使用してヘキサコプターからの推力を測定します。

まず、取り付けネジを使用して、ヘキサコプターをロードセルテストスタンドに固定します。次に、データ集録システムを開き、ロードセルひずみゲージバイアスプログラムを実行して、すべてのバイアスロードセル値を除去します。マイクロUSBケーブルを使用してヘキサコプターフライトコントローラをコンピュータに接続し、電源をヘキサコプターに接続します。

次に、グランド コントローラ ステーション プログラムを開きます。[設定] タブで、右側の目盛りをクリックしてすべてのモータをリンクします。出力チャンネルスライダを目的のスロットルコマンドに1,300マイクロ秒で移動します。システムを数秒間安定させ、プログラムを実行してロードセルからデータを収集します。

プログラムが完了したら、出力チャンネルスライダをグランドコントローラステーションの左に動かしてモータを停止します。1,500 マイクロ秒と 1,700 マイクロ秒のスロットル コマンドでテストを繰り返します。次に、モータを停止し、すべてのデータをフラッシュ ドライブに転送して、次のテストで風洞測定のベースラインとして使用します。

実験の次の部分では、気流を伴う風洞内で行われる以外は、同じテストを行います。まず、ロードセルテストスタンドにヘキサコプターを取り付けます。次に、ロードセルをデータ集録コンピュータに接続し、ヘキサコプターを地上制御ステーションに接続する。Cクランプを使用してテストスタンドを風洞の基部に固定し、ヘキサコプターが風洞の壁、床、天井から解放されていることを確認し、自由な流れの乱れを最小限に抑えます。

次に、工業用テープを使用して風洞内に2本のピトー管を取り付け、ヘキサコプターから数フィート離れた場所に配置し、邪魔のない気流をサンプリングします。次に、テストスタンドのヒンジジョイントを調整してヘキサコプターのピッチ角度を0°に設定します。次に、風洞を閉じます。

ピトー管センサーをデータ集録システムに接続します。次に、バイアスプログラムを実行して、ロードセル電圧バイアスを確立します。次に、風洞を初期化し、風速を約 430 フィート/分、つまり 2 に設定します。2 m/s自由流の流れの速度が目的の値に落ち着いたら、ベースラインリフトを集め、ヘキサコプターモーターをオフにしてロードセルから読み取り値をドラッグします。

次に、スロットル コマンドを 1,300 マイクロ秒に初期化して、ヘキサコプターモーターをオンにします。風洞の風速を落ち着かせ、ロードセルとピトー管からの測定値を収集します。次に、さまざまな六角形のピッチ角度と風洞の風速で 3 つのスロットル コマンド設定のテストをもう一度繰り返します。複雑さを軽減するために、常にゼロヨー角が維持されました。

それでは、結果を解釈してみましょう。まず、ダイナモメーター実験から収集された推力とRPMとトルクのデータをプロットします。

ここでは、1つのモータのデータを示します。プロットは、モータRPMの増加がトルクと推力の増加をもたらすことを示しています。次に、次の式の形式でデータに二次曲線を合わせます。二次関係を使用して、推力係数、CT、およびトルク係数 CQ を決定します。

次に、入力モータ RPM、電力、およびスロットル コマンドを 3-D プロットにプロットします。ヘキサコプターには直接RPMセンサフィードバックがないため、多項式の表面をデータにフィットさせ、電力とスロットルコマンドの機能として実際のRPMを取得しています。

ダイナモメーターの結果を見ていきましょう。ドラッグとリフトのバリエーションは、テストされた異なるピッチ角度に対してプロットされます。どちらのプロットも、スロットルコマンドを大きくすると、リフトやモータの推力が大幅に増加し、ドラッグが増加することを示しています。風洞の気速度の増加は、大幅にリフトを増加しません。しかし、より高い対気速度は、ヘキサコプターに作用する抗力の有意な増加をもたらした。

要約すると、空力力がマルチコプターの飛行を制御する方法を学びました。その後、風洞でヘキサコプターを試験し、さまざまな気速で発生する揚力とドラッグ力を解析しました。

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