אווירודינמיקה רב-תכליתית: אפיון דחף על הקסאקופטר

Overview

מקור: פראשין שארמה ואלה מ. אטקינס, המחלקה להנדסת אוירונוטיקה וחלל, אוניברסיטת מישיגן, אן ארבור, MI

מולטי-קופטרים הופכים לפופולריים עבור מגוון רחב של תחביבים ויישומים מסחריים. הם זמינים בדרך כלל כמו רחפן (ארבעה מדחפים), hexacopter (שישה מדחפים), ותצורות תמנון (שמונה מדחפים). כאן, אנו מתארים תהליך ניסיוני כדי לאפיין את הביצועים multicopter. פלטפורמת הקסאקופטר קטנה ומודולרית המספקת יתירות יחידת הנעה נבדקת. דחף המנוע הסטטי הבודד נקבע באמצעות דינמומטר ופקודות מדחף וקלט שונות. דחף סטטי זה מיוצג לאחר מכן כפונקציה של סל"ד מוטורי, שבו הסל"ד נקבע מחשמל מוטורי וקלט בקרה. לאחר מכן, ההקסקופטר מותקן על עמדת בדיקת תא עומס במנהרת רוח חוזרת במהירות נמוכה בגודל 1.7 מ', ורכיבי המעלית האווירודינמית וכוח הגרירה שלו התאפיינו במהלך הטיסה באותות מנוע שונים, במהירות זרימת זרם חופשי ובזווית תקיפה.

Hexacopter נבחר למחקר זה בגלל עמידותו בפני מנוע (יחידת הנעה) כישלון, כפי שדווח בדלייה¹. יחד עם יתירות במערכת ההנעה, הבחירה של רכיבי אמינות גבוהה נדרש גם לטיסה בטוחה, במיוחד עבור משימות באזורים מאוכלסים יתר על המידה. באמפטיס², המחברים דנים בבחירה האופטימלית של חלקים רב-תכליתיים, כגון מנועים, להבים, סוללות ובקרי מהירות אלקטרוניים. מחקר דומה דווח גם ב Bershadsky³, המתמקד בבחירה נכונה של מערכת מדחף כדי לספק את דרישות המשימה. יחד עם יתירות ואמינות הרכיבים, הבנת ביצועי הרכב חיונית גם כדי להבטיח שמגבלות מעטפת הטיסה יכובדו ולבחור את העיצוב היעיל ביותר.

Procedure

פרוטוקול זה מאפיין דחף הקסקופטר ואווירודינמיקה. לניסוי זה, השתמשנו ברכיבים זמינים מסחרית, מחוץ למדף עבור ההקסקופטר, והפרטים מסופקים בטבלה 2. עבור בקר הטיסה, בחרנו טייס אוטומטי בקוד פתוח, Librepilot, 9 מכיוון שהוא סיפק^גמישות לשלוט בפקודות מנוע בודדות שהונפקו להקסקופטר.

דוכן ...

Results

בדיקות דינמומטר

באיור 5-6, העלילות ממחישות את השונות של דחף ומומנט, בהתאמה, עם הגדלת סל"ד מוטורי. ממגרשים אלה, ניתן לקבוע את סל"ד המנוע המינימלי הנדרש לרחף המוטורי. עלילה המציגה נתונים ממדחפים מרובים ניתן להשיג משארמה¹². יתר על כן, ניתן לראות בבירור את היחסים...

Application and Summary

כאן אנו מתארים פרוטוקול לאפיין את הכוחות האווירודינמיים הפועלים על hexacopter. ניתן להחיל פרוטוקול זה על תצורות מרובות rotor אחרות ישירות. יש צורך באפיון נכון של כוחות אווירודינמיים כדי לשפר את תכנון הבקרה, להבין את מגבלות מעטפת הטיסה ולהעריך שדות רוח מקומיים כמו בשיאנג¹³. הפרוטוקול המוצג ל...

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.