Aerodinámica de multicópteros: Caracterización del empuje en un hexacóptero

Fuente: Prashin Sharma y Ella M. Atkins, Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Universidad de Michigan, Ann Arbor, MI

Multicopters se están volviendo populares para una variedad de aplicaciones comerciales y de hobby. Están comúnmente disponibles como configuraciones quadcopter (cuatro propulsores), hexacóptero (seis propulsores) y octocóptero (ocho propulsores). Aquí, describimos un proceso experimental para caracterizar el rendimiento multicóptero. Se prueba una pequeña plataforma hexacóptero modular que proporciona redundancia de la unidad de propulsión. El empuje del motor estático individual se determina mediante un dinamómetro y diferentes comandos de hélice y entrada. Este empuje estático se representa entonces como una función de las RPM del motor, donde las RPM se determinan a partir de la potencia del motor y la entrada de control. El hexacóptero se monta en un soporte de prueba de células de carga en un túnel de viento recirculante de baja velocidad de 5' x 7', y sus componentes aerodinámicos de elevación y fuerza de arrastre se caracterizaron durante el vuelo a diferentes señales de motor, velocidad de flujo de flujo libre y ángulo de ataque.

Un hexacóptero fue seleccionado para este estudio debido a su resistencia a la falla del motor (unidad de propulsión), como se informó en Clothier¹. Junto con la redundancia en el sistema de propulsión, también se requiere la selección de componentes de alta fiabilidad para un vuelo seguro, especialmente para las misiones que están sobrepobladas. En Ampatis^2,los autores discuten la selección óptima de piezas multicópteras, como motores, cuchillas, baterías y controladores electrónicos de velocidad. Investigaciones similares también se han divulgado en Bershadsky³, que se centra en la selección adecuada de un sistema de hélices para satisfacer los requisitos de la misión. Junto con la redundancia y la fiabilidad de los componentes, comprender el rendimiento del vehículo también es esencial para garantizar que se respeten los límites de la envolvente de vuelo y para seleccionar el diseño más eficiente.

Este protocolo caracteriza el empuje hexacopter y la aerodinámica. Para este experimento, utilizamos componentes listos para usar disponibles comercialmente para el hexacóptero, y los detalles se proporcionan en la Tabla 2. Para el controlador de vuelo, seleccionamos un piloto automático de código abierto, Librepilot,⁹ ya que proporcionaba flexibilidad para controlar los comandos individuales del motor emitidos al hexacóptero.

El soporte de prueba para el montaje de la célula ...

Pruebas de Dinamómetro

En las figuras 5-6, las gráficas ilustran la variación de empuje y par, respectivamente, con el aumento de las RPM del motor. A partir de estas gráficas, se pueden determinar las RPM mínimas del motor necesarias para que el multicóptero se mantenga flotando. Una gráfica que muestra datos de múltiples hélices se puede obtener de Sharma¹². Además, se pueden observar claramente las relaciones cuadráticas entre el empuje frente...

Aquí describimos un protocolo para caracterizar las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre un hexacóptero. Este protocolo se puede aplicar a otras configuraciones del multirotor directamente. Se necesita una caracterización adecuada de las fuerzas aerodinámicas para mejorar el diseño del control, comprender los límites de la envolvente de vuelo y estimar los campos de viento locales como en Xiang^13. El protocolo presentado para determinar las RPM del motor en función del consumo de energía y el coman...

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.
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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.
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