Domanda:
Perché i multirotori di solito hanno quattro eliche?
anonymous2
2020-04-17 00:43:38 UTC
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Ho notato che i droni con capacità di volo stazionario hanno quasi sempre quattro eliche. Ci sono ovviamente elicotteri, che ne hanno due, ma in generale, la stragrande maggioranza degli UAV sembra essere equipaggiata con quattro eliche.

Mi sembra intuitivamente che questo debba essere meno efficiente: più punti di attrito, più cavi, più peso, ecc ...

Perché vediamo una preponderante predominanza di quattro droni a elica anziché, ad esempio, tre eliche? È solo perché è più facile da controllare o offre un volo più fluido? O c'è qualche ragione fisica?

Quattro risposte:
#1
+26
Kenn Sebesta
2020-04-17 01:03:59 UTC
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Con gli aerei, ci sono 6 gradi di libertà (DoF) che vogliamo controllare (roll-pitch-yaw e xyz), ma per i veicoli in hovering (cioè rotorcraft) possiamo farla franca controllando due gradi di libertà (xy ) combinando gli altri 4 gradi (roll-pitch-yaw + z).

Esistono molti modi per controllare questi quattro DoF, tipicamente:

  • elicotteri, che usano pale a passo variabile e alcune combinazioni di rotori principali e di coda, per ottenere una combinazione che si traduca nel controllo di rollio, beccheggio, imbardata e spinta
  • tricotteri, quadricotteri, esacotteri, ottocotteri, ecc ..., che usano tutte le loro pale per controllare rollio, beccheggio, imbardata e spinta.

Da qualche parte è inevitabile che per un volo stabilizzato su tutti e quattro i DoF tu debba avere la capacità di controllare ogni DoF . Matematicamente, il quadricottero fornisce il minor numero di semplici attuatori che svolgono il lavoro. Ogni attuatore può funzionare semplicemente accelerando o rallentando, mentre elicotteri e tricotteri richiedono un altro tipo di azionamento, solitamente complesso. Risulta da un punto di vista pragmatico accelerare e rallentare i motori è molto più robusto del cambiare l'angolazione delle pale rotanti .

Quadcopter

Formalmente, sembra in questo modo:

Quadcopter for Qids

Quindi i quadricotteri regnano su elicotteri e tripcoters perché sono semplici. Ogni asse è controllato da una certa combinazione di velocità del motore e tutti gli assi sono indipendenti, cioè quando aumenti la spinta non devi preoccuparti anche di cambiare il passo.

Allora perché no hexas, octos, ecc. ...?

Esacotteri

Gli esacotteri possono sollevare di più, ma non forniscono alcun margine di sicurezza aggiuntivo perché non c'è modo di stabilizzare tutti e quattro gli assi quando un motore arbitrario si spegne (ci sono alcuni configurazioni che possono continuare a volare se un motore su un set di quattro si guasta, ma non possono volare se uno degli altri due si guasta).

Gli hexa sono anche meno efficienti, poiché utilizzano eliche più piccole. (Senza immergersi nella teoria delle pale e semplificando in qualche modo, la lama più efficiente è una singola lama che è infinitamente grande e si muove infinitamente lentamente.)

Gli hexas hanno anche 6 motori per quattro gradi di libertà, quindi quando tutto piatto si ottiene quello che viene chiamato un sistema "overconstrained". Puoi effettivamente angolarli per ottenere effetti interessanti, ad es. Drone LVL 1 di CyPhy Work.

Octocopters

Octos teoricamente può continuare a volare se un motore arbitrario si guasta, ma in realtà, probabilmente incontrerai la lama effetti di stallo o altre patologie che non permetteranno all'octo di sostenere il volo. Ciò accade perché il tipico octo viene caricato oltre il punto in cui 4 motori possono trasportarlo in sicurezza. Tuttavia, alcuni veicoli di alto valore, come quelli che trasportano fotocamere costose, sono octos perché è più economico sovraccaricare le batterie e i motori dell'octo piuttosto che sostituire una fotocamera da $ 50.000.

Anche gli ottos sono meno efficiente, per la stessa ragione di hexas.

#2
+11
Drones and Whatnot
2020-04-17 01:08:33 UTC
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Questa è una domanda molto interessante ed è sempre la mia preferita a cui rispondere.

In primo luogo, gli aerei rotanti hanno comunemente bisogno di un numero pari di eliche (anche se non sempre) o di un altro modo per contrastare l'inerzia degli oggetti di scena. Pensa, ad esempio, perché gli elicotteri hanno un'elica alla fine del loro boma di coda; hanno bisogno di contrastare le forze di rotazione dell'elica principale (in un sistema, la quantità di moto deve essere conservata in modo che senza il trave di coda, il rotore in cima causerebbe la rotazione della cellula principale per contrastare il movimento proporzionale alla sua massa).

Quindi, per contrastare questo, è necessario che l'inerzia rotazionale delle eliche si somma a zero per evitare il movimento, ad esempio avendo un numero pari di eliche, oppure è necessario un modo per vettore parte della spinta per contrastare questo moto, che puoi vedere nei tricotteri dove hanno un servo su uno dei rotori. Ciò aggiunge ulteriore complicazione e punti di guasto, quindi è più facile andare con un numero pari di rotori.

La lettura che abbiamo quattro invece di due rotori è che, oltre all'imbardata, dobbiamo anche pensa agli assi di beccheggio e rollio. Per un bicottero. Se vuoi imbardare, devi o vettore la spinta o diminuire la velocità di una delle direzioni delle eliche.

Il primo di questi richiede servi che, ancora una volta, aggiunge ulteriori complicazioni, e il secondo significa che c'è uno squilibrio di spinta, che causerà beccheggio o rollio indesiderati, a seconda dell'orientamento del velivolo.

Tuttavia, su un quadricottero, questi problemi scompaiono. Possiamo fare in modo che la rotazione di ogni serie diagonale di oggetti di scena si abbini tra loro. Se vogliamo imbardare, aumentiamo la spinta in una serie e la diminuiamo in un'altra. Se vogliamo beccheggio o rollio, possiamo diminuire la spinta nelle eliche adiacenti e aumentare la spinta negli altri due, entrambi mantenendo l'inerzia e non avendo movimento di imbardata (vedere lo schema sotto). Abbiamo anche l'ulteriore vantaggio di una maggiore spinta, quindi un maggiore carico utile.

Questo può essere ingrandito con lo stesso principio agli aeromobili con un numero pari di eliche in modo che ci sia ridondanza: se un motore o un'elica si guasta, gli altri possono compensare.

domanda: non esitare a chiedere chiarimenti su tutto ciò che pensi possa essermi perso.

An illustration of the movement of a drone’s rotors

Per chiunque sia interessato a come un aereo con un un numero dispari di motori non necessita di servocomandi, ho trovato questo interessante documento del MIT: https://people.csail.mit.edu/taodu/pentacopter_guide/guide.pdf


Fonte foto: https://www.researchgate.net/figure/Inertial-and-body-fixed-frame-of-the-quadrotors-For-modeling-the-physics-of- the-quadrotor_fig2_331413393 / amp

@KennSebesta è vero, stavo solo cercando di dare una risposta semplificata poiché il consenso su Meta sembrava essere che approfondire troppo la fisica non è necessariamente sempre la strada da percorrere. Inoltre, stavo generalizzando perché, sebbene per scopi di ricerca e sviluppo non sia sempre necessario un numero pari, è vero per la maggior parte nel settore commerciale e professionale. Grazie per averlo sottolineato, aggiungerò una modifica per chiarire. Modifica: ho appena riletto la mia risposta e non vedo dove ho detto che i numeri pari erano un requisito, solo che era un'opzione. Potresti chiarire cosa dovrei modificare?
@KennSebesta mi dispiace - Ho cancellato il mio altro commento perché non mi permetteva di modificare e mi sono sentito un po 'conflittuale. Grazie per aver condiviso il link al link, darò un'occhiata!
@KennSebesta haha ​​Sono contento di non essere sembrato conflittuale - di certo non avevo intenzione di esserlo! Non credo che dovresti preoccuparti di eliminare i tuoi commenti: aggiungono un contesto extra alla mia risposta e questa può essere sempre e solo una buona cosa!
#3
+5
user251
2020-04-17 10:59:34 UTC
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Le risposte precedenti sono ottime.

La risposta più semplice che do a chiunque me lo chieda ?: Permette un volo completo senza ALCUNA superficie di controllo, collegamenti e qualsiasi parte in movimento tranne la rotazione dei motori. Questo è incredibilmente semplice, economico e robusto ed è un dispositivo davvero semplice come le macchine volanti. Questo è ciò che rende i design quad così speciali rispetto ad altri tipi.

Sì. I Multis sono piattaforme aerodinamiche davvero terribili con un'efficienza molto bassa, ma il tempo di iterazione di fly to crash to fly è di minuti, invece di settimane.
I droni non possono essere un dispositivo a stato solido poiché i motori richiedono uno spazio tra il bit rotante e il bit non rotante. Vedi https://en.wikipedia.org/wiki/Solid-state_electronics
uh, qualunque cosa riguardo alla cosa dello "stato solido". Il punto della risposta era chiarire che l'UNICA parte meccanica su un multirotore sono i motori che li rendono semplici come macchine volanti. Il tuo collegamento wiki è comunque un bel po 'di smartassery. Ho modificato la risposta per eliminare la parte offensiva ... grazie immagino.
#4
  0
Daniel Ribeiro
2020-04-29 00:12:32 UTC
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Quattro è il numero minimo di eliche per controllare l'assetto di un aereo senza dover utilizzare metodi di controllo diversi dal controllo della velocità di ciascuna elica.

L'UNICO movimento parti di un quadricottero sono i rotori. E l'unico metodo di controllo disponibile è il controllo preciso della velocità di rotazione di ciascun rotore.

Meno parti mobili hai, minore è la possibilità di guasto.

Inoltre, quattro puntelli sono il modo più efficiente per rendere il veicolo piccolo. Dato un vincolo fisso sulle dimensioni del veicolo, per aggiungere più eliche è necessario ridurre ciascuna dimensione dell'elica e ciò rende l'elica meno efficiente. Più grande è l'elica, più aumenta il rapporto peso / potenza (efficienza). Ad esempio: una singola elica da 10 pollici produrrà 1 kg di spinta utilizzando 100 W, mentre un'elica da 5 pollici ha bisogno di 150 W per produrre la stessa quantità di spinta.

Come fatto curioso: Helicopters ha un " ala rotante "sopra di essa, non una" elica ". Gli elicotteri possono sostenere il volo anche dopo un guasto al motore, perché la sua ala rotante produrrà comunque portanza, quindi può planare come un aeroplano e atterrare in sicurezza. I multirotori non hanno le ali, quindi l'elica NON darà alcun controllo dell'assetto se un motore si guasta. Per avere la ridondanza, è necessario aggiungere più rotori ... Ma è più facile creare un rotore più affidabile che aggiungere ridondanza a un velivolo multirotore ... Ecco perché la maggior parte dei multirotori là fuori ha esattamente quattro rotori.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
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