DRON | Vetrovnik

Dron v vetrovniku

Fizikalne količine sil
relativnega gibanja drona
Dron - fizikalna merjenja

Vpliv bočnega vetra
aktivna vodoravna sila

Vodoravna
hitrost

Smer vektorja hitrosti premikanja drona v vodoravni smeri ponazorimo z relativno hitrostjo zraka skozi vetrovnik. Pričakovali smo rezultate in postavili hipoteze.

Pritrditev drona in namestitev merilnika sile

Matej in Domen sta skonstruirala nosilce in ogrodje za pritrditev drona in merilnika sile Vernier.
Merilnik sta postavila v navpični smeri vzgona plovila.

Postavitev hipoteze

Ali ima vodoravna hitrost premikanja plovila vpliv na velikost sile vzgona pri letu? Predvidevali smo, da nedvomno ima.
Napovedali smo: HITROST V VODORAVNI SMERI BO ZMANJŠALA VZGON IN S TEM ONEMOGOČALA DVIGANJE PLOVILA.

Merjenja in rezultati

Rezultati meritev so nas presenetili. Merjenja so pokazala, da stranska komponenta povečuje vzgonsko silo, s katero se lahko plovilo dviga. Naša hipoteza je bila uvržena. Razlog smo našli v aerodinamični obliki rotorjev.

Fizikalna merjenja

Vertikalna sila je merjena v času pogona rotorjev drona in vpliva vodoravne komponente relativne hitrosti.
Merilnik sile Dual-Range Force Sensor DFS-BTA Vernier je priključen preko vmesnika na računalniški program Logger Pro. Čas zajema meritve je 30 sekund z gostoto izmerkov 50/s.
Analiza rezultatov

Natančnost merilnika na 0,001N povzroči ob veliki frekvenci izmerkov diagram, katerega je potrebno vrednotiti s povprečnimi deli izmerkov.
Sila, ki prispeva k dvigu plovila se v tem primeru poveča iz -0,1093N na -0,2091N. Povečanje je za skoraj 52%.

Diagram meritve

Diagram prikazuje sektor izmerkov A, kjer ni vpliva hitrosti zraka vetrovnika. V tem času deluje na merilnik le sila vrtenja rotorjev drona (dvižna sila).
Sektor B na diagramu vključuje še pogon vetrovnika in vpliv vodoravne sile zraka (relativno hitrost gibanja).
Rezultat je povečana sila dviganja. Hitrost zračne mase je povečala silo dviganja. Vzgon plovila se je povečal.

Serije meritev

Slika prikazuje vektorje hitrosti (v) zraka, ki predstavlja relativno gibanje. Sila dviganja (F) drona deluje navpično na merilnik.
V zavihkih Serija 1 in Serija 2 sta prikazani dve tabeli izmed vseh merjenj.

Serija 1

Serija meritev prikazuje zelo konstantno povečanje sile vzgona. Sila Fp je izmerjena vrednost, ki jo povzroča dron s svojim pogonom. Ta je sicer omejena, ker je dron fiksno povezan preko nosilca na merilnik sile. Zelo stalna pa je sprememba, ki jo povzroči sila zračne mase vetrovnika. Izmerek 4 preveč odstopa od stalnih mer in ga ocenjujemo, kot mersko napako. Nastala je najverjetneje zaradi dotika vretena nosilca ob odprtino merilne komore.

Serija 2

V drugi seriji smo zajeli še meritev pri nižji hitrosti 2,92 m/s. Nekoliko smo tudi izboljšali uvodni del nosilca merilnika skozi odprtino merilne komore. To je povzročilo še večjo spremembo sile. To predstavlja še povečano silo vzgona pri relativnem bočnem gibanju drona. Ta pri omenjeni najnižji hitrosti poveča plovnost drona za 80%. Naše predvidevanje, da je ta vpliv največji pri nizkih hitrostih, se je z meritvijo potrdil.

Omejitve

Merilnik sile Dual-Range Force Sensor DFS-BTA Vernier se je zopet iskazal, kot zelo zanesljiv del opreme. Natančnost merjenja presega našim zahtevam.
Merjenja bi lahko izboljšali s kvalitetnejšim vpetjem (stojalo) merilnika in togostjo sistema. Nekaj razlik v izmerkih pa gre zagotovo tudi na sistem vodila, na katerem je bil pritrjen dron. Trenje med vodilom in odprtino zapirala komore bi zagotovo zmanjšali s specialno drsno uvodnico.

Problemi pri meritvah

Največji problem pri celotnih merjenjih je bilo konstantno napajanje drona. Baterija, ki napaja pogon in krmilje plovila ima zelo majhno kapaciteto. Drugače povedano je dron, kot naprava prevelik potrošnik električnega dela, glede na zmogljivost napajanja. Hitrost padca napetosti na baterijah je bila velika, kar je imelo za posledico kratkotrajno relevantno merjenje. Napolnjena baterija je dosegala 4,2V. Pri padcu napetosti na zgolj 3,8V pa so se že pojavljale težave pri sprejemu daljinskega signala in konstantnosti vrtljajev rotorjev.

Diagrami merjenj - komponente sil

Diagram 1 Serija 1

Hitrost v = 4,69 m/s

Diagram 2 Serija 1

Hitrost v = 6,18 m/s

Diagram 3 Serija 1

Hitrost v = 7,7 m/s

Diagram 4 Serija 1

Hitrost v = 8,85 m/s

Diagram 5 Serija 1

Hitrost v = 9,9 m/s

Diagram 6 Serija 2

Hitrost v = 2,92 m/s

Diagram 7 Serija 2

Hitrost v = 4,69 m/s

Diagram 8 Serija 2

Hitrost v = 6,18 m/s

Diagram 9 Serija 2

Hitrost v = 7,7 m/s

Diagram 10 Serija 2

Hitrost v = 8,85 m/s

Diagram 11 Serija 2

Hitrost v = 9,9 m/s

Galerija slik

Zračni upor

Merjenje 2

Sile upora na različne lege

Dron se med premikanjem in letom nahaja v različnih legah. Tako zaradi orientacije in nagibov pri spremembni smeri, kot ralativnih situacij, ko nanj delujejo vplivi vetra.
Merjenje 2 obsega vpliv zračnega upora v merilni komori vetrovnika na različne lege plovila.

Lege drona

Izdelava drsnega mehanizma

Zračni upor

Drsno vodilo za merjenje sile upora.

Izdelati je bilo potrebno vodilo, ki omogoča merjenje vodoravne sile.

Načrtovanje.

Konstruiranje in snovanje oblike merjenja in pripomočkov.

Delo v laboratoriju za fiziko.

Izdelava.

Izdelava komponent vodila in plošče v mini delavnici laboratorija za fiziko.

Drsna konzola - nosilec.

Za različne lege je bilo potrebno izdelati nosilni mehanizem, ki omogoča tudi nagibanje drona.

Merjenja - zračni upor

Serije meritev
Serija 1
Serija 2
Nagibi
Natančost merjenja

Serije meritev zračnega upora

Najbolj pogoste oblike dronov so v obliki črke X. Tudi naš testni model ima simetrično razporejene štiri rotorje. Pri tovrstnih oblikah se pojavlja relativno velik zračni upor.
Z merjenji smo želeli dokazati kako pomembna je lega drona med letom. V serijah meritev so prikazi odvisnosti sile upora od kota - nagiba plovila in relativne hitrosti gibanja.

Serija 1

Prva serija merjenj prikazuje tri glavne lege letenja. Vodoravna je zgolj teoretična, saj smo v Merjenjih 1 dokazali, da tovrstno vodoravno gibanje povzroča dodatne komponente sil, ki običajno dvigajo dron. Kot 45° je pogost, a nestalen. Kot 90° pa ponazarja navpično dviganje. Pri tem so izmerjene sile upora zraka največje.

Serija 2

Konzolno držalo drona pri tem merjenju nam je omogočalo, da smo lahko merili poljuben nagib drona. Tako smo izbrali nekaj vrednosti in opazovali spremembe sile upora v odvisnoti od kotov v tabeli.

Nastavitve kotov

Vsako serijo meritev pri različnih hitrostih smo nastavili ročno, s pomočjo težiščnega kotomera.

Dotik merilnika

Natančnost merjenja sile upora na telo je odvisna predvsem od prenosa površine telesa (preseka) neposredno na merilnik. Da bi čim bolj izničili vpliv samega merilnika sile na merjenje, je meritev izvedena od konzolnega nosilca, preko kotalnega vodila do stika z merilnikom Dual-Range Force Sensor DFS-BTA Vernier. Zastajanje in silo lepenja v vodilu smo preprečili z vsakokratnim odmikom merjenca od senzorja. Odmik x na sliki A omogoča premik merilnega sistema do merilnika sile (slika B) zgolj zaradi vpliva sile upora, ki ga povzroča zračna masa v vetrovniku.