Multicopter-Aerodynamik: Charakterisierung der Schubkraft bei einem Hexacopter

Overview

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

Multicopter werden immer beliebter für eine Vielzahl von Hobby- und kommerziellen Anwendungen. Sie sind allgemein als Quadcopter (vier Schubdüsen), Hexacopter (sechs Schubdüsen) und Octocopter (acht Triebwerke) Konfigurationen erhältlich. Hier beschreiben wir einen experimentellen Prozess, um die Multicopter-Leistung zu charakterisieren. Getestet wird eine modulare kleine Hexacopter-Plattform mit Redundanz der Antriebseinheit. Der individuelle statische Motorschub wird mit einem Dynamometer und unterschiedlichen Propeller- und Eingangsbefehlen bestimmt. Dieser statische Schub wird dann als Funktion der Motordrehzahl dargestellt, wo die Drehzahl durch Motorleistung und Steuereingang bestimmt wird. Der Hexacopter wird dann auf einem Wägezellen-Prüfstand in einem 5' x 7' Low-Speed-Umlauf-Windkanal montiert, und seine aerodynamischen Hebe- und Zugkraftkomponenten wurden während des Fluges mit unterschiedlichen Motorsignalen, Freistrom-Durchflussgeschwindigkeit und Angriffswinkel charakterisiert.

Ein Hexacopter wurde für diese Studie ausgewählt, weil er gegen Motorversagen (Antriebseinheit) belastbar ist, wie in Clothier¹berichtet. Neben der Redundanz im Antriebssystem ist die Auswahl hochzuverlässiger Komponenten auch für einen sicheren Flug erforderlich, insbesondere für Missionen überbevölkerter Regionen. In Ampatis²diskutieren die Autoren die optimale Auswahl von Multicopter-Teilen wie Motoren, Schaufeln, Batterien und elektronischen Drehzahlreglern. Ähnliche Forschung wurde auch in Bershadsky³berichtet, die sich auf die richtige Auswahl eines Propellersystems konzentriert, um Missionsanforderungen zu erfüllen. Neben Redundanz und Zuverlässigkeit der Komponenten ist es auch wichtig, die Fahrzeugleistung zu verstehen, um sicherzustellen, dass die Grenzwerte für Flugumschläge eingehalten werden und um das effizienteste Design auszuwählen.

Procedure

Dieses Protokoll charakterisiert Hexacopter Schub und Aerodynamik. Für dieses Experiment haben wir handelsübliche, handelsübliche Komponenten für den Hexacopter verwendet, und die Details sind in Tabelle 2 aufgeführt. Für den Flugcontroller haben wir einen Open-Source-Autopiloten, Librepilot,⁹ ausgewählt, da er die Flexibilität bietet, einzelne Motorbefehle zu steuern, die an den Hexacopter ausgegeben werden.

Der Prüfstand für die Montage der Wägezelle und des Hexacopters...

Results

Dynamometer-Tests

In den Abbildungen 5-6veranschaulichen die Diagramme die Variation von Schub bzw. Drehmoment mit zunehmender Motordrehzahl. Aus diesen Parzellen kann die minimale Motordrehzahl bestimmt werden, die für den Schweben des Multikopters erforderlich ist. Ein Diagramm mit Daten von mehreren Propellern kann von Sharma¹²bezogen werden. Weiterhin können die quadratischen Beziehungen zwischen Schub vs. RPM und Moment vs. RPM deutlich beobachtet we..

Application and Summary

Hier beschreiben wir ein Protokoll, um die aerodynamischen Kräfte zu charakterisieren, die auf einen Hexacopter wirken. Dieses Protokoll kann direkt auf andere Multirotor-Konfigurationen angewendet werden. Die richtige Charakterisierung der aerodynamischen Kräfte ist erforderlich, um das Steuerungsdesign zu verbessern, die Grenzwerte für Flughüllen zu verstehen und lokale Windfelder wie in Xiang¹³zu schätzen. Das vorgestellte Protokoll zur Bestimmung der Motordrehzahl basierend auf Demach und Drosselbefeh...

References

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