Aerodinâmica de Multicópteros: Caracterizando o Empuxo em um Hexacóptero

Overview

Fonte: Prashin Sharma e Ella M. Atkins, Departamento de Engenharia Aeroespacial, Universidade de Michigan, Ann Arbor, MI

Multicopters estão se tornando populares para uma variedade de hobby e aplicações comerciais. Eles são comumente disponíveis como configurações quadcopter (quatro propulsores), hexacopter (seis propulsores) e octocopter (oito propulsores). Aqui, descrevemos um processo experimental para caracterizar o desempenho multicóptero. Uma pequena plataforma modular de hexacopter que fornece redundância de unidade de propulsão é testada. O impulso do motor estático individual é determinado usando um dinamômetro e diferentes comandos de hélice e entrada. Este impulso estático é então representado em função do motor RPM, onde o RPM é determinado a partir da potência do motor e da entrada de controle. O hexacóptero é então montado em um suporte de teste de célula de carga em um túnel de vento de 5' x 7' de baixa velocidade, e seus componentes aerodinâmicos de elevação e força de arrasto foram caracterizados durante o voo em diferentes sinais motores, velocidade de fluxo livre e ângulo de ataque.

Um hexacóptero foi selecionado para este estudo devido à sua resiliência à falha motora (unidade de propulsão), conforme relatado no Clothier¹. Juntamente com a redundância no sistema de propulsão, a seleção de componentes de alta confiabilidade também é necessária para um voo seguro, particularmente para missões sobrepovoadas. Em Ampatis^2,os autores discutem a seleção ideal de peças multicopter, como motores, lâminas, baterias e controladores eletrônicos de velocidade. Pesquisas semelhantes também foram relatadas em Bershadsky³, que se concentra na seleção adequada de um sistema de hélice para satisfazer os requisitos da missão. Juntamente com a redundância e confiabilidade dos componentes, entender o desempenho do veículo também é essencial para garantir que os limites do envelope de voo sejam respeitados e selecionar o design mais eficiente.

Procedure

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 ...

Results

Testes de dinamômetro

Nas Figuras 5-6,as parcelas ilustram a variação de empuxo e torque, respectivamente, com o aumento do motor RPM. A partir dessas parcelas, o motor mínimo RPM necessário para que o multicopter paire pode ser determinado. Um gráfico mostrando dados de várias hélices pode ser obtido a partir de Sharma¹². Além disso, as relações quadráticas entre impulso vs.RPM e momento vs.RPM podem ser claramente observadas, que estão descri...

Application and Summary

Aqui descrevemos um protocolo para caracterizar as forças aerodinâmicas agindo em um hexacóptero. Este protocolo pode ser aplicado diretamente a outras configurações multirotor. A caracterização adequada das forças aerodinâmicas é necessária para melhorar o design de controle, entender os limites do envelope de voo e estimar os campos de vento locais como em Xiang¹³. O protocolo apresentado para determinar o RPM do motor com base no consumo de energia e comando do acelerador tem aplicações diretas...

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
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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.