Aerodinâmica de Multicópteros: Caracterizando o Empuxo em um Hexacóptero

Este protocolo caracteriza o impulso hexacóptero e a aerodinâmica. Para este experimento, utilizamos componentes disponíveis comercialmente, fora da prateleira para o hexacóptero, e os detalhes são fornecidos na Tabela 2. Para o controlador de voo, selecionamos um piloto automático de código aberto, Librepilot,^9, pois ele forneceu flexibilidade para controlar comandos motormais individuais emitidos para o hexacóptero.

O suporte de teste para a montagem da célula de carga e do hexacóptero foi fabricado internamente usando compensado laminado e é mostrado na Figura 2. Ao projetar o suporte de teste, observe que ele deve permitir um ajuste preciso do ângulo de ataque do multicóptero e ser suficientemente rígido para suportar forças de dobra e vibrações criadas durante a operação dos motores.

Uma célula de carga de 6 eixos é montada no suporte de teste e conectada à placa de aquisição de dados, conforme mostrado na Figura 3. Forças aerodinâmicas e de impulso são sentidas na estrutura corporal do hexacóptero pela célula de carga. Os dados do medidor de tensão passam por um condicionador de sinal. A placa de aquisição de dados (DAQ) adquire então os componentes analógicos de força e torque usando um procedimento de calibração fornecido pelo fabricante da célula de carga. A placa DAQ então armazena esses valores em um buffer de alta velocidade e depois em disco permanente.

Para este protocolo, primeiro, determine as forças geradas pelos motores individuais. Em seguida, determine as forças que atuam na estrutura aérea nua, seguidas pela determinação das forças geradas por todo o hexacopter em função dos comandos de RPM motor. Emita os mesmos comandos RPM para todos os motores para cada teste.

1. Experimento do Dinamômetro

O dinamômetro permite a medição direta dos parâmetros, incluindo impulso, torque, RPM, tensão da bateria e corrente. Parâmetros como energia elétrica, potência mecânica e eficiência motora podem então ser derivados de Equações (3), (4) e (5).

1. Conecte o dinamômetro ao computador DAQ usando um conector USB.
2. Execute a interface gráfica do usuário (GUI) fornecida com o dinamômetro.
3. Calibrar o dinamômetro seguindo as instruções fornecidas na tela. Use pesos e um braço de alavanca conhecido quando solicitado.
4. Monte o motor no suporte de teste do dinamômetro.
5. Fixar a hélice em uma configuração de puxador (trator), conforme mostrado na Figura 4.
6. Conecte a bateria ao dinamômetro.
7. Segure firmemente o dinamômetro na bancada usando grampos C.
8. Execute o programa de entrada de passo e registe os parâmetros medidos, incluindo impulso, torque, RPM do motor, corrente do motor e modulação da largura de pulso (PWM) comando "acelerador".

2. Teste de impulso estático

1. Aperte o hexacóptero no suporte de teste da célula de carga usando parafusos de montagem.
2. Abra o Daq (Data Acquisition System, sistema de aquisição de dados) e execute o programa de viés de bitola de tensão da célula de carga.
3. Conecte o controlador de voo hexacóptero ao computador usando um cabo micro USB e abra o software GCS (Ground Controller Station) da Estação de Controle terrestre.
4. Conecte a fonte de alimentação ao hexacóptero.
5. Selecione a guia Configuração -> Saída em GCS. Vincule todos os motores e verifique os testes ao vivo das saídas.
6. Defina o comando do acelerador desejado para 1300 ms. Certifique-se de que você pode operar todos os motores com o mesmo comando pwm acelerador.
7. Deixe o sistema estabilizar por vários segundos e, em seguida, execute o programa DAQ para coletar dados da célula de carga.
8. Após a coleta de dados ser concluída, pare os motores.
9. Repita os passos 3. 6 a 3,8 para comandos de aceleração 1500 ms e 1700 ms.
10. Transfira dados armazenados no sistema DAQ para um computador de processamento de dados e armazenamento a longo prazo.

3. Teste dinâmico de impulso

Realize uma série de testes de túnel de vento para caracterizar e analisar as forças aerodinâmicas lineares do hexacóptero, principalmente levantar e arrastar, sobre uma variedade de velocidades e ângulos de incidência. Durante os experimentos do túnel de vento, o hexacóptero está em condições constantes de voo. Portanto, a magnitude do vetor de velocidade hexacóptero é a mesma que a velocidade do ar e assumida horizontalmente no quadro mundial. As forças de elevação e arrasto são principalmente devido ao fluxo de ar ao redor do hexacóptero. Note que as forças de elevação e arrasto são assumidas para caracterizar o elevador total e o arrasto total no hexacóptero; forças laterais são insignificantes.

O procedimento experimental realizado neste experimento é semelhante ao relatado em Foster¹⁰ e Russell¹¹. Durante os testes do túnel de vento, o hexacóptero foi impulsionado por um conversor de energia conectado à energia de construção (AC) para garantir níveis consistentes de energia e tensão durante todos os testes. Observe que motores em RPMs altos podem consumir corrente apreciável; use medidor baixo e fio de comprimento curto para evitar queda de tensão considerável no fio durante a operação.

1. Monte o hexacóptero no suporte de teste de célula de carga
2. Conecte a célula de carga ao computador DAQ e conecte o hexacóptero ao GCS usando o procedimento descrito para o Teste de Impulso Estático.
3. Fixar a posição de teste na base do túnel de vento com grampos C.
4. Certifique-se de que o multicóptero esteja bem longe das paredes do túnel de vento, piso e teto para minimizar a perturbação e reflexão do fluxo livre de fluxo.
5. Monte tubos pitot a vários metros do hexacóptero para provar fluxo de ar não perturbado. Conecte os sensores de pressão pitot ao sistema DAQ.
6. Ajuste o ângulo de tom para o hexacóptero em 0° ajustando a articulação da dobradiça do suporte de teste. No túnel de vento, o ângulo de arremesso do hexacóptero e o ângulo de ataque são idênticos.
7. Execute o programa de viés para estabelecer vieses de tensão de célula de carga.
8. Inicialize o túnel de vento à velocidade do vento de 2,2 m/s.
9. Uma vez que a velocidade de fluxo livre se instale ao valor desejado, colete leituras ft da linha de base da célula de carga com motores hexacopter desligados.
10. Inicialize o comando do acelerador a 1300 ms, deixe a velocidade do ar no túnel de vento se estabelecer antes de coletar dados ft e pitot.
11. Repita as etapas 3.7 - 3.9 para comandos de aceleração de 1500 ms e 1700 ms.
12. Repetimos passos 3.5 - 3.10 para diferentes ângulos de campo hexacóptero e valores de velocidade de ar do túnel de vento, conforme indicado na Tabela 1.