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Multicopter Aerodynamics: Caracterización del empuje en un hexacóptero

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Los multicóptero son pequeños vehículos aéreos con múltiples rotores, a diferencia de los helicópteros tradicionales con un rotor principal. Un rotor de helicóptero tradicional tiene paso variable, lo que permite al piloto controlar la elevación y la dirección. Sin embargo, los multicóptero dependen de rotores de paso fijo. Algunos giran en el sentido de las agujas del reloj y otros giran en sentido contrario a las agujas del reloj. El vuelo se controla variando la velocidad de uno o más rotores. Por ejemplo, en este hexacóptero, todas las hélices funcionan a la misma velocidad. Esto produce el mismo empuje para que se mantenga flotando.

Al igual que los aviones de ala fija, la actitud hexagonal se describe sobre tres ejes: el eje de paso, el eje de balanceo y el eje de guiñada. El hexacóptero se puede controlar sobre el eje de paso aumentando la velocidad de las hélices en un lado del eje de paso y disminuyendo las velocidades de las del otro lado. Esto crea un diferencial de empuje entre los dos lados. Si el empuje aumenta en las hélices traseras y disminuye en las hélices delanteras, el hexacóptero avanza.

Del mismo modo, el hexacóptero se puede controlar sobre el eje de balanceo de la misma manera. Esto provoca un movimiento de lado a lado. Esto se hace aumentando la velocidad de las hélices en un lado y disminuyendo la velocidad de las hélices en el otro lado.

El control de guias, que cambia el ángulo de inclinación, se logra equilibrando los pares rotacionales de la hélice en el sentido de las agujas del reloj con los pares de rotación de la hélice en sentido antihorario. Al girar las hélices en sentido contrario a las agujas del reloj más rápido que las hélices en el sentido de las agujas del reloj, la reacción de red opuesta induce una rotación en el sentido de las agujas del reloj sobre el eje de guiñada.

Podemos calcular el empuje y el par de torsión de cada unidad de hélice utilizando las ecuaciones mostradas. donde T es el empuje generado, CT es el coeficiente de empuje, tau es el par, CQ es el coeficiente de par, y omega es la velocidad de rotación en RPM. Tanto la entrada de energía eléctrica como la salida de energía mecánica se pueden calcular utilizando las siguientes ecuaciones. La potencia eléctrica y mecánica se utilizan entonces para determinar la eficiencia del motor de la hélice. Los dos coeficientes, junto con la potencia eléctrica y mecánica, se calculan utilizando los datos adquiridos de los experimentos.

En este laboratorio, demostraremos cómo calcular las fuerzas aerodinámicas y de empuje en un hexacóptero utilizando una célula de carga montada en un soporte de prueba. A continuación, caracterizaremos y analizaremos la elevación y arrastre a través de un rango de velocidades de aire utilizando un túnel de viento.

Para comenzar este experimento, usaremos un dinamómetro para medir y calcular los parámetros de una hélice. En primer lugar, obtenga un dinamómetro con un sistema de adquisición de datos a bordo. Ejecute la interfaz gráfica de usuario proporcionada con el sistema de dinamómetro. Monte el motor en el soporte de prueba del dinamómetro y conecte todos los cables del dispositivo. A continuación, calibrar el sistema siguiendo las instrucciones en pantalla, utilizando pesas y el brazo de palanca conocido cuando se le solicite.

Una vez completada la calibración, conecte la hélice en una configuración de 'puller'. Antes de ejecutar los experimentos, asegúrese de que el dinamómetro esté firmemente asegurado a la mesa de trabajo utilizando abrazaderas C, y que se coloque detrás de una pared de protección de plexiglás.

Ahora conecte la batería al dinamómetro. Ejecute el programa de entrada de pasos, que alimenta los motores de CC utilizando una señal pulsada. El programa registrará el empuje medido, el par, las RPM del motor, la corriente del motor y el pulso con el comando del acelerador de modulación.

Para esta parte del experimento, mediremos el empuje del hexacóptero utilizando una célula de carga fuera del túnel de viento para evitar perturbaciones de las paredes del túnel de viento.

En primer lugar, fije el hexacóptero al soporte de prueba de la célula de carga con tornillos de montaje. A continuación, abra el sistema de adquisición de datos y ejecute el programa de sesgo de medidor de tensión de celda de carga para eliminar todos los valores de celda de carga de polarización. Conecte el controlador de vuelo hexacopter al ordenador mediante un cable micro USB y conecte la fuente de alimentación al hexacóptero.

A continuación, abra el programa de la estación del controlador de tierra. En la pestaña de configuración, vincule todos los motores haciendo clic en la marca de verificación en el lado derecho. Mueva el control deslizante del canal de salida al comando de aceleración deseado a 1.300 microsegundos. Deje que el sistema se estabilice durante unos segundos y luego ejecute el programa para recopilar datos de la célula de carga.

Cuando el programa esté completo, detenga los motores moviendo los reguladores del canal de salida hacia la izquierda en la estación del controlador de tierra. Repita la prueba con comandos de aceleración de 1.500 y 1.700 microsegundos. A continuación, detenga los motores y transfiera todos los datos a una unidad flash para utilizarlos como línea de base para las mediciones del túnel de viento en la siguiente prueba.

Para la siguiente parte del experimento, llevaremos a cabo la misma prueba, excepto que se hará dentro del túnel de viento con flujo de aire. Para empezar, monte el hexacóptero en el soporte de prueba de la célula de carga. A continuación, conecte la célula de carga al ordenador de adquisición de datos y conecte el hexacóptero a la estación de control de tierra. Asegure el soporte de prueba a la base del túnel de viento utilizando abrazaderas C, asegurándose de que el hexacóptero esté libre de las paredes, el suelo y el techo del túnel de viento para minimizar las perturbaciones del flujo libre.

Luego, monte dos tubos de pitot dentro del túnel de viento usando cinta industrial, asegurándose de colocarlos a pocos metros del hexacóptero para probar el flujo de aire no perturbado. Ahora, ajuste el ángulo de inclinación del hexacóptero a 0o ajustando la junta de bisagra del soporte de prueba. Luego, cierra el túnel de viento.

Conecte los sensores del tubo pitot al sistema de adquisición de datos. A continuación, ejecute el programa de sesgo para establecer los sesgos de voltaje de la célula de carga. A continuación, inicialice el túnel de viento y establezca la velocidad del viento en aproximadamente 430 pies/min, o 2. 2 m/s. Una vez que la velocidad de flujo de flujo libre se asienta en el valor deseado, recoja las lecturas de elevación y arrastre de línea base de la célula de carga con los motores hexagonales apagados.

Ahora, encienda los motores hexagonales inicializando el comando throttle a 1.300 microsegundos. Deje que la velocidad del aire en el túnel de viento se asiente y luego recoger las lecturas de la célula de carga y de los tubos pitot. A continuación, repita la prueba de nuevo para los tres ajustes de comando del acelerador en diferentes ángulos de inclinación hexacóptero y velocidades de aire del túnel de viento. Para reducir la complejidad, se mantuvo un ángulo de yguila cero en todo momento.

Ahora vamos a interpretar los resultados. En primer lugar, trazar el empuje frente a rpm y los datos de par frente a RPM recopilados del experimento del dinamómetro.

Aquí, mostramos los datos de un motor. Las gráficas ilustran que un aumento en las RPM del motor resulta en un aumento en el par y empuje. Ahora, ajuste una curva cuadrática a los datos en forma de las siguientes ecuaciones. Usando la relación cuadrática, podemos determinar el coeficiente de empuje, CT, y el coeficiente de par, CQ.

A continuación, trazar RPM del motor de entrada, potencia eléctrica y comando de aceleración en una gráfica 3D. Dado que no hay retroalimentación directa del sensor de RPM en nuestro hexacóptero, hemos ajustado una superficie polinómica a los datos para obtener las RPM reales en función de la potencia eléctrica y el mando del acelerador.

Ahora que hemos visto los resultados del dinamómetro, echemos un vistazo a los experimentos del túnel de viento realizados utilizando los parámetros enumerados aquí. La variación de arrastre y elevación se traza contra los diferentes ángulos de inclinación probados. Ambas gráficas muestran que el aumento del comando del acelerador da lugar a un aumento significativo en la elevación, o empuje del motor, así como un aumento en la resistencia. Un aumento en la velocidad del aire del túnel de viento no aumenta significativamente la elevación. Sin embargo, una mayor velocidad del aire resultó en un aumento significativo en la fuerza de arrastre que actúa sobre el hexacóptero.

En resumen, aprendimos cómo las fuerzas aerodinámicas controlan el vuelo de los multicóptero. Luego probamos un hexacóptero en un túnel de viento y analizamos las fuerzas de elevación y arrastre producidas en un rango de velocidades de aire.

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