Návrh optimalizované vrtule pro bezpilotní prostředky typu multicopter
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
B
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Výdrž a účinnost multicopterů jsou z velké části ovlivněny výběrem pohonného systému, zejména pak vrtulí. Avšak u malých bezpilotních prostředků, které většinu času stráví ve visu (např. multicoptery), pracují vrtule při nízkých Reynoldsových číslech, případně i v režimu odtržení. Tyto problémy a efekty spojené s rotací jsou řešeny pomocí korekcí aerodynamických koeficientů a aplikovány na vírovou teorii. Tento přístup vede k významnému zvýšení přesnosti výpočtu leteckých vrtulí. Nicméně pro nulovou rychlost nabíhajícího proudu mají tyto korekce tendenci nadhodnocovat hodnoty tahu vrtule. Pro snížení výpočetní náročnosti a času nezbytného k získání potřebných aerodynamických vlastností pro různá Reynoldsova a Machova čísla jsou použity neuronové sítě. Celý proces je implementován do prostředí MATLAB (včetně grafického rozhraní, neuronových sítí a adaptivních algoritmů) a validován na pěti různých vrtulích k prokázání, že vypočtené výkony vrtulí se shodují s experimentálními daty. Variační počet byl vybrán jako metoda pro návrh optimalizované vrtule, jelikož s jeho využitím lze navrhnout vrtuli s maximálním tahem pro zadaný výkon. Pro ověření zvoleného přístupu byla navrhnuta optimalizovaná vrtule, jejíž koeficient tahu je vyšší než odpovídající vrtule, se kterou je srovnávána, při zachování stejné hodnoty koeficientu výkonu.
The endurance and hover efficiency of multicopters are mostly affected by the selection of powertrain, especially propellers. Since multicopters operate in most of the of time in hover, at small unmanned aerial systems (UAV), propeller blade airfoils operate at low Reynolds number or even beyond stall angle. To overcome these difficulties the corrections to aerodynamic coefficients are used and applied to vortex theory. Also, rotational effects are considered. This leads to significant improvement in the accuracy of modeling aircraft propellers, but for zero incident speed, it tends to overestimate produced thrust. The neural networks are used to reduce both computational time and time required to obtain the proper aerodynamic coefficient for various Reynolds and Mach number. Whole process was implemented in MATLAB (including GUI, NN, adaptive computing algorithms) and validated on five different propellers. Computed propeller performance is in good match with experimental data. For propeller optimization was selected method based on a calculus of variations. This method can find propeller with highest thrust for prescribed power requirements. To prove the presented approach an optimized propeller been designed. It has a higher thrust coefficient than a relevant competitor for some value of power coefficient.
The endurance and hover efficiency of multicopters are mostly affected by the selection of powertrain, especially propellers. Since multicopters operate in most of the of time in hover, at small unmanned aerial systems (UAV), propeller blade airfoils operate at low Reynolds number or even beyond stall angle. To overcome these difficulties the corrections to aerodynamic coefficients are used and applied to vortex theory. Also, rotational effects are considered. This leads to significant improvement in the accuracy of modeling aircraft propellers, but for zero incident speed, it tends to overestimate produced thrust. The neural networks are used to reduce both computational time and time required to obtain the proper aerodynamic coefficient for various Reynolds and Mach number. Whole process was implemented in MATLAB (including GUI, NN, adaptive computing algorithms) and validated on five different propellers. Computed propeller performance is in good match with experimental data. For propeller optimization was selected method based on a calculus of variations. This method can find propeller with highest thrust for prescribed power requirements. To prove the presented approach an optimized propeller been designed. It has a higher thrust coefficient than a relevant competitor for some value of power coefficient.
Description
Citation
ZEMAN, P. Návrh optimalizované vrtule pro bezpilotní prostředky typu multicopter [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2019.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Stavba letadel
Comittee
prof. Ing. Antonín Píštěk, CSc. (předseda)
doc. Ing. Jaroslav Juračka, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Josef Klement, CSc. (člen)
doc. Ing. Luboš Janko, CSc. (člen)
Ing. Pavel Štrůbl, gen.mjr.(v.v.) (člen)
Ing. Miroslav Pešák (člen)
doc. Ing. Ladislav Janíček, Ph.D., MBA, LL.M. (člen)
Date of acceptance
2019-06-10
Defence
Otázky:
Zabýval jste se vlivem prstence vrtule?
Jaká funkce byla použita pro výběr profilu?
Otázka ohledně ceny rešeršovaných vrtulí.
Jaký je přínos navržené vrtule oproti konkurenčním vrtulím?
V čem spočávala validace?
Je komerční užití výsledků práce jen v rámci daného průmyslového partnera?
Jaká byla technologie výroby?
Student odpověděl uspokojivěna všechny otázky.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení