Aerodinamica multirotore: caratterizzazione della spinta su un esacottero

Overview

Fonte: Prashin Sharma e Ella M. Atkins, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, Università del Michigan, Ann Arbor, MI

I multicotteri stanno diventando popolari per una varietà di applicazioni per hobby e commerciali. Sono comunemente disponibili come quadcopter (quattro propulsori), hexacopter (sei propulsori) e octocopter (otto propulsori). Qui, descriviamo un processo sperimentale per caratterizzare le prestazioni del multicottero. Viene testata una piccola piattaforma modulare di esacotteri che fornisce ridondanza dell'unità di propulsione. La spinta statica individuale del motore viene determinata utilizzando un dinamometro e variando i comandi dell'elica e dell'ingresso. Questa spinta statica viene quindi rappresentata in funzione del numero di giri del motore, in cui il numero di giri è determinato dalla potenza del motore e dall'ingresso di controllo. L'esacottero viene quindi montato su un banco di prova a celle di carico in una galleria del vento a ricircolo a bassa velocità di 5 'x 7' e i suoi componenti aerodinamici di sollevamento e forza di trascinamento sono stati caratterizzati durante il volo a vari segnali motori, velocità del flusso a flusso libero e angolo di attacco.

Un esacottero è stato selezionato per questo studio a causa della sua resilienza al guasto del motore (unità di propulsione), come riportato in Clothier¹. Insieme alla ridondanza nel sistema di propulsione, la selezione di componenti ad alta affidabilità è necessaria anche per un volo sicuro, in particolare per le missioni sovrappopolate. In Ampatis², gli autori discutono la selezione ottimale di parti multicopter, come motori, pale, batterie e regolatori di velocità elettronici. Ricerche simili sono state riportate anche in Bershadsky³, che si concentra sulla corretta selezione di un sistema di elica per soddisfare i requisiti della missione. Insieme alla ridondanza e all'affidabilità dei componenti, la comprensione delle prestazioni del veicolo è anche essenziale per garantire il rispetto dei limiti dell'inviluppo di volo e per selezionare il design più efficiente.

Procedure

Questo protocollo caratterizza la spinta dell'esacottero e l'aerodinamica. Per questo esperimento, abbiamo utilizzato componenti pronti all'uso in commercio per l'esacottero e i dettagli sono forniti nella Tabella 2. Per il controllore di volo, abbiamo selezionato un pilota automatico open source, Librepilot,⁹ in quanto forniva flessibilità per controllare i singoli comandi del motore emessi all'esacottero.

Il banco di prova per il montaggio della cella di carico e dell'esacottero .

Results

Test dinamometrici

Nelle figure 5-6, i grafici illustrano la variazione di spinta e coppia, rispettivamente, con l'aumento del numero di giri del motore. Da questi grafici, è possibile determinare il numero minimo di giri del motore richiesto per il passaggio del mouse del multicottero. Un grafico che mostra i dati da più eliche può essere ottenuto da Sharma¹². Inoltre, le relazioni quadratiche tra spinta vs.RPM e momento vs.RPM possono essere chiarament...

Application and Summary

Qui descriviamo un protocollo per caratterizzare le forze aerodinamiche che agiscono su un esacottero. Questo protocollo può essere applicato direttamente ad altre configurazioni multirotore. È necessaria una corretta caratterizzazione delle forze aerodinamiche per migliorare la progettazione del controllo, comprendere i limiti dell'inviluppo di volo e stimare i campi di vento locali come in Xiang^13. Il protocollo presentato per determinare il numero di giri del motore in base al consumo energetico e al coma..

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.
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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
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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.