Pregunta:
¿Por qué los multirrotores suelen tener cuatro hélices?
anonymous2
2020-04-17 00:43:38 UTC
view on stackexchange narkive permalink

He observado que los drones con capacidad de vuelo estacionario casi siempre tienen cuatro hélices. Hay helicópteros, por supuesto, que tienen dos, pero en general, la gran mayoría de UAV parecen ir con cuatro hélices.

Intuitivamente me parece que esto debe ser menos eficiente: más puntos de fricción, más cableado, más peso, etc ...

¿Por qué vemos un predominio abrumador de cuatro drones de hélice en lugar de, por ejemplo, tres hélices? ¿Es solo porque es más fácil de controlar o ofrece un vuelo más suave? ¿O hay alguna razón física?

Cuatro respuestas:
#1
+26
Kenn Sebesta
2020-04-17 01:03:59 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Con las aeronaves, hay 6 grados de libertad (DoF) que queremos controlar (balanceo-cabeceo-guiñada y xyz), pero para vehículos en vuelo estacionario (p. ej., helicópteros) podemos controlar dos grados de libertad (xy ) combinando los otros 4 grados (balanceo-cabeceo-guiñada + z).

Hay muchas formas de controlar esos cuatro DoF, normalmente:

  • helicópteros, que utilizan palas de paso variable y algunas combinaciones de rotores principal y de cola, para dar como resultado una combinación que da como resultado el control de balanceo, cabeceo, guiñada y empuje
  • tricópteros, cuadricópteros, hexacópteros, octocópteros, etc. todos los cuales usan sus cuchillas para controlar el balanceo, cabeceo, guiñada y empuje.

En algún lugar es ineludible que para un vuelo estabilizado en los cuatro DoF usted debe tener la capacidad de controlar cada DoF . Matemáticamente, el cuadricóptero proporciona la menor cantidad de actuadores simples que realizan el trabajo. Cada actuador puede funcionar simplemente acelerando o desacelerando, mientras que los helicópteros y tricópteros requieren algún otro tipo de actuación, generalmente una compleja. Desde un punto de vista pragmático, acelerar y ralentizar los motores es mucho más robusto que cambiar los ángulos de las cuchillas giratorias .

Quadcopter

Formalmente, parece así:

Quadcopter for Qids

Entonces, los cuadricópteros reinan sobre los helicópteros y tripcoters porque son simples. Cada eje está controlado por una determinada combinación de velocidades del motor y todos los ejes son independientes, es decir, cuando aumenta el empuje no tiene que preocuparse también por cambiar el paso.

Entonces, ¿por qué no hexas, octos, etc. ...?

Hexacopters

Los Hexas pueden levantar más, pero no proporcionan un margen de seguridad adicional porque no hay forma de estabilizar los cuatro ejes cuando se apaga un motor arbitrario (hay ciertas configuraciones que pueden continuar volando si falla un motor de un conjunto de cuatro, pero no pueden volar si falla alguno de los otros dos).

Los Hexas también son menos eficientes, ya que utilizan hélices más pequeñas. (Sin sumergirnos en la teoría de las palas, y simplificando un poco, la cuchilla más eficiente es una sola que es infinitamente grande y se mueve infinitamente lento.)

Los Hexas también tienen 6 motores para cuatro grados de libertad, así que cuando Si eres todo plano, obtienes lo que se llama un sistema "sobreconstreñido". De hecho, puede inclinarlos para obtener un efecto interesante, por ejemplo, Dron LVL 1 de CyPhy Work.

Octocopters

Teóricamente, Octos puede seguir volando si falla cualquier motor arbitrario, pero en realidad, es probable que te encuentres con una hoja efectos de estancamiento u otras patologías que no permitirán al pulpo sostener el vuelo. Esto sucede porque el octo típico se carga más allá del punto donde 4 motores pueden transportarlo de manera segura. Sin embargo, ciertos vehículos de alto valor, como los que llevan cámaras caras, son octos porque es más barato sobreespecificar las baterías y los motores del octo que reemplazar una cámara de $ 50k.

Los octos también son menos costosos. eficiente, por la misma razón que hexas.

#2
+11
Drones and Whatnot
2020-04-17 01:08:33 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Esta es una pregunta muy interesante, y una que siempre es mi favorita para responder.

En primer lugar, los aviones rotativos normalmente necesitan un número par de hélices (aunque no siempre) u otra forma de contrarrestar la inercia. de los apoyos. Piense, por ejemplo, por qué los helicópteros tienen una hélice al final de su brazo de cola; necesitan contrarrestar las fuerzas de rotación de la hélice principal (en un sistema, el impulso debe conservarse de modo que sin el brazo de cola, el rotor en la parte superior haría que la estructura principal del avión gire para contrarrestar el movimiento proporcional a su masa).

Entonces, para contrarrestar esto, necesita que la inercia rotacional de los puntales sume a cero para evitar el movimiento, como tener un número par de hélices, o necesita una forma de vectorizar parte del empuje para contrarrestar esto movimiento, que se puede ver en tricópteros donde tienen un servo en uno de los rotores. Esto agrega complicaciones adicionales y puntos de falla, por lo que es más fácil ir con un número par de rotores.

La lectura de que tenemos cuatro en lugar de dos rotores es que, además de la guiñada, también necesitamos Piense en los ejes de cabeceo y balanceo. Para un bicopter. Si desea guiñar, debe vectorizar el empuje o disminuir la velocidad de una de las direcciones de las hélices.

El primero de estos requiere servos que, nuevamente, agrega complicaciones adicionales, y el segundo significa que hay un desequilibrio de empuje, lo que provocará un cabeceo o balanceo no deseado, según la orientación de la aeronave.

Sin embargo, en un quadcopter, estos problemas desaparecen. Podemos hacer que la rotación de cada conjunto diagonal de accesorios coincida entre sí. Si queremos guiñar, aumentamos el empuje en un conjunto y lo disminuimos en otro. Si queremos cabecear o rodar, podemos disminuir el empuje en los puntales adyacentes y aumentar el empuje en los otros dos, manteniendo la inercia y sin movimiento de guiñada (ver el diagrama a continuación). También tenemos el beneficio adicional de un mayor empuje, por lo que una mayor carga útil.

Esto se puede escalar con el mismo principio para aviones con cualquier número par de hélices para que haya redundancia: si un motor o hélice falla, los otros pueden compensar.

Espero que esto responda a su pregunta: siéntase libre de pedir una aclaración sobre cualquier cosa que crea que me he perdido.

An illustration of the movement of a drone’s rotors

Para cualquier persona interesada en cómo un avión con un número impar de motores no necesita servos, he encontrado este interesante artículo del MIT: https://people.csail.mit.edu/taodu/pentacopter_guide/guide.pdf


Fuente de la 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 es muy cierto, solo estaba tratando de dar una respuesta simplificada ya que el consenso en Meta parecía ser que profundizar demasiado en la física no siempre es necesariamente el camino a seguir. Además, estaba generalizando, ya que si bien para fines de I + D no siempre es necesario que haya un número par, es cierto para la mayoría en el sector comercial y profesional. Sin embargo, gracias por señalar eso. Agregaré una edición para aclarar. Editar: Acabo de volver a leer mi respuesta y no veo dónde dije que los números pares eran un requisito, solo que era una opción. ¿Podrías aclarar qué debo editar?
@KennSebesta lo siento, eliminé mi otro comentario porque no me dejaba editar y sentí que parecía un poco conflictivo. Gracias por compartir el enlace al enlace, ¡echaré un vistazo!
@KennSebesta jaja Me alegro de no haber parecido conflictivo, ¡ciertamente no tenía la intención de serlo! No creo que debas preocuparte por eliminar tus comentarios; agregan contexto adicional a mi respuesta y eso solo puede ser algo bueno.
#3
+5
user251
2020-04-17 10:59:34 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Las respuestas anteriores son excelentes.

¿La respuesta más sencilla que le doy a cualquiera que me pregunte ?: Permite un vuelo con todas las funciones sin NINGUNA superficie de control, conexiones y partes móviles, excepto la rotación de los motores. Esto es increíblemente simple, barato y robusto y es un dispositivo realmente simple como van las máquinas voladoras. Esto es lo que hace que los diseños de quad sean tan especiales sobre otros tipos.

Sip. Los multis son plataformas aerodinámicas realmente terribles con una eficiencia muy baja, pero el tiempo de iteración de volar a chocar y volar es de minutos, en lugar de semanas.
Los drones no pueden ser un dispositivo de estado sólido ya que los motores requieren un espacio entre la broca que gira y la que no gira. Consulte https://en.wikipedia.org/wiki/Solid-state_electronics
uh, ya lo que sea sobre el "estado sólido". El objetivo de la respuesta fue aclarar que la ÚNICA parte mecánica de un multirotor SON los motores, haciéndolos simples como máquinas voladoras. Sin embargo, su enlace wiki es un poco inteligente. He editado la respuesta para eliminar la parte ofensiva ... gracias, supongo.
#4
  0
Daniel Ribeiro
2020-04-29 00:12:32 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Cuatro es el número mínimo de hélices para controlar la actitud de una aeronave sin tener que utilizar métodos de control distintos al control de la velocidad de cada hélice.

El ÚNICO movimiento partes de un quadcopter son los rotores. Y el único método de control disponible es el control preciso de la velocidad de rotación de cada rotor.

Cuantas menos partes móviles tenga, menor será la posibilidad de falla.

Además, cuatro puntales son la forma más eficiente de hacer que el vehículo sea pequeño. Dada una restricción de tamaño de vehículo fijo, para agregar más accesorios, debe reducir el tamaño de cada accesorio, y hace que el accesorio sea menos eficiente. Cuanto más grande es la hélice, más aumenta la relación peso-potencia (eficiencia). Como ejemplo aproximado: una sola hélice de 10 pulgadas producirá 1 kg de empuje usando 100W, mientras que una de 5 pulgadas necesita 150W para producir la misma cantidad de empuje.

Como dato curioso: los helicópteros tienen ala giratoria "encima de ella, no una" hélice ". Los helicópteros pueden mantener el vuelo incluso después de una falla del motor, porque su ala giratoria todavía producirá sustentación, por lo que puede planear como un avión y aterrizar de manera segura. Los multirrotores no tienen alas, por lo que su hélice NO dará ningún control de actitud si falla un motor. Para tener redundancia, necesita agregar más rotores ... Pero es más fácil hacer un rotor más confiable que agregar redundancia a un avión con múltiples rotores ... Es por eso que la mayoría de los multirrotores tienen exactamente cuatro rotores.



Esta pregunta y respuesta fue traducida automáticamente del idioma inglés.El contenido original está disponible en stackexchange, a quien agradecemos la licencia cc by-sa 4.0 bajo la que se distribuye.
Loading...