Aérodynamique des multicoptères : Caractérisation de la poussée sur un hexacoptère

Overview

Source: Prashin Sharma et Ella M. Atkins, Department of Aerospace Engineering, University of Michigan, Ann Arbor, MI

Les multicopoptères sont de plus en plus populaires pour une variété d'applications commerciales et de loisirs. Ils sont généralement disponibles sous forme de quadcopter (quatre propulseurs), hexacopter (six propulseurs) et octocopter (huit propulseurs) configurations. Ici, nous décrivons un processus expérimental pour caractériser la performance multicopter. Une petite plate-forme modulaire d'hexacopter fournissant la redondance d'unité de propulsion est examinée. La poussée motrice statique individuelle est déterminée à l'aide d'un dynamomètre et de commandes d'hélice et d'entrée variables. Cette poussée statique est alors représentée en fonction du régime moteur, où le régime est déterminé à partir de la puissance motrice et de l'entrée de contrôle. L'hexacopter est ensuite monté sur un banc d'essai de cellules de charge dans une soufflerie de recirculation à basse vitesse de 5 pi x 7 po, et ses composants aérodynamiques de résistance à la portance et à la force de traînée ont été caractérisés pendant le vol à différents signaux moteurs, la vitesse de débit libre et l'angle d'attaque.

Un hexacopter a été choisi pour cette étude en raison de sa résistance à la défaillance du moteur (unité de propulsion), tel que rapporté dans Clothier¹. En plus de la redondance dans le système de propulsion, le choix des composants à haute fiabilité est également nécessaire pour un vol sûr, en particulier pour les missions surpeuplées. Dans Ampatis², les auteurs discutent de la sélection optimale des pièces multicopter, telles que les moteurs, les lames, les batteries et les contrôleurs de vitesse électroniques. Des recherches similaires ont également été rapportées dans Bershadsky³, qui se concentre sur le choix approprié d'un système d'hélice pour satisfaire aux exigences de la mission. En plus de la redondance et de la fiabilité des composants, la compréhension des performances du véhicule est également essentielle pour s'assurer que les limites de l'enveloppe de vol sont respectées et pour choisir la conception la plus efficace.

Procedure

Ce protocole caractérise la poussée et l'aérodynamique des hexacopters. Pour cette expérience, nous avons utilisé des composants disponibles dans le commerce et disponibles sur le marché pour l'hexacopter, et les détails sont fournis dans le tableau 2. Pour le contrôleur de vol, nous avons sélectionné un pilote automatique open-source, Librepilot,⁹ car il a fourni la flexibilité pour commander les commandes motrices individuelles émises à l'hexacopter.

Le banc d'essai p...

Results

Essais Dynamometer

Dans les figures 5-6, les parcelles illustrent la variation de la poussée et du couple, respectivement, avec l'augmentation du régime moteur. À partir de ces parcelles, le régime moteur minimum requis pour le multicopter pour planer peut être déterminé. Une parcelle montrant les données de plusieurs hélices peut être obtenue auprès de Sharma¹². De plus, les relations quadratiques entre la poussée et le mIN par rapport au rPM p...

Application and Summary

Ici nous décrivons un protocole pour caractériser les forces aérodynamiques agissant sur un hexacopter. Ce protocole peut être appliqué directement à d'autres configurations multirotor. Une bonne caractérisation des forces aérodynamiques est nécessaire pour améliorer la conception du contrôle, comprendre les limites de l'enveloppe de vol et estimer les champs éoliens locaux comme dans Xiang¹³. Le protocole présenté pour déterminer le régime moteur basé sur la consommation d'énergie et la comm...

References

Clothier, R.A., and Walker, R.A., “Safety Risk Management of Unmanned Aircraft Systems,” Handbook of Unmanned Aerial Vehicles, Springer, 2015, pp. 2229–2275.
Ampatis, C., and Papadopoulos, E., “Parametric Design and Optimization of Multi-rotor Aerial Vehicles,” Applications of Mathematics and Informatics in Science and Engineering, Springer, 2014, pp. 1–25.  
Bershadsky, D., Haviland, S., and Johnson, E. N., “Electric Multirotor UAV Propulsion System Sizing for Performance Prediction and Design Optimization,” 57th AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conf., 2016.
Bangura, M., Melega, M., Naldi, R., and Mahony, R., “Aerodynamics of Rotor Blades for Quadrotors,” arXiv preprint arXiv:1601.00733, 2016
Ducard, G., and Minh-Duc Hua. "Discussion and Practical Aspects on Control Allocation for a Multi-rotor Helicopter." Conf. on Unmanned Aerial Vehicle in Geomatics, 2011.
Powers C., Mellinger D., Kumar V. “Quadrotor Kinematics and Dynamics” In: Handbook of Unmanned Aerial Vehicles. Springer, 2015
McClamroch, N. Harris. “Steady Aircraft Flight and Performance.” Princeton University Press, 2011.
Quan, Q., “Introduction to Multicopter Design and Control”, Springer Singapore, 2017.
LibrePilot, https://www.librepilot.org/site/index.html
Foster, J. and Hartman, D., “High-Fidelity Multi-Rotor Unmanned Aircraft System Simulation Development for Trajectory Prediction under Off-Nominal Flight Dynamics,” Proc. Air Transportation Integration & Operations (ATIO) Conference, AIAA, 2017.
Russell, Carl R., et al. "Wind Tunnel and Hover Performance Test Results for Multicopter UAS Vehicles," 2016.
Sharma, P. and Atkins, E., “An Experimental Investigation of Tractor and Pusher Hexacopter Performance,” Proc. AIAA Aviation Conference, AIAA, June 2018. (to appear)
Xiang, X., et al. "Wind Field Estimation through Autonomous Quadcopter Avionics." 35^th AIAA/IEEE Digital Avionics Systems Conference (DASC), IEEE, 2016.
Kamel, M., et al. "Model Predictive Control for Trajectory Tracking of Unmanned Aerial Vehicles using Robot Operating System." Robot Operating System (ROS). Springer, Cham, 2017, 3-39.