Rotiert Ingenuity über unterschiedliche Rotordrehzahlen oder unterschiedliche Anstellwinkel?

Hackaday hat einen gut geschriebenen Artikel, der das Kontrollsystem für Ingenuity gut beschreibt.

Ein weiterer Unterschied zwischen Ingenuity und terrestrischen Multikoptern liegt in den Flugsteuerungssystemen. Während die meisten Quads nur Rotorblätter mit fester Steigung haben und eine unterschiedliche Motordrehzahl verwenden, um Pitch-, Gier- und Rollsteuerung zu erreichen, verwendet Ingenuity ein Paar Taumelscheiben, um die kollektive und zyklische Steigung jedes Rotors zu steuern. Jede Taumelscheibe aus Titan wird von einem Trio winziger Servos gesteuert, die am Rotormast verankert sind, und ist mit dem Rotor über Verbindungsstangen aus Polyetheretherketon (PEEK)-Kunststoff verbunden.

Bild mit freundlicher Genehmigung der verlinkten Seite.

Ich bin ziemlich überrascht, Taumelscheibensteuerungen an einem so kleinen Hubschrauber zu sehen, aber der größte Vorteil liegt meiner Meinung nach in der präzisen Steuerung, die ein solches System bieten würde. Ein bisschen komplexer, natürlich, aber die Teile sind nicht so groß, dass sie das Fahrzeug beeinträchtigen, wie die jüngsten Flüge bestätigen würden.

Wie die Antwort von @fred_dot_u aus einem Blogbeitrag zeigt, besteht der Steuermechanismus aus zwei Taumelscheiben .

Der Hersteller der sechs Motoren, die die Taumelscheiben steuern, bestätigt Folgendes:

Sechs DCX-Präzisions-Mikromotoren mit einem Durchmesser von 10 Millimetern sind für die Bewegung der Taumelscheibe und damit für die Neigungsverstellung der Rotorblätter – also für die Steuerung des Fahrzeugs – zuständig.

— maxongroup.com

Eine Taumelscheibe kippt und verschiebt sich (nach oben/unten; kollektive Steigung), wodurch sich die Steigung der Blätter ändert. Gegenläufiger Pitch mit zwei Rotoren führt zu Gieren, wie es bei koaxialen Erdhubschraubern verwendet wird (Asymmetrie des Drehmoments).

Aber was ist mit den beiden Antriebsmotoren?

Beide laufen mit der gleichen Geschwindigkeit:

Das Fahrzeug verfügt über insgesamt acht Motoren: zwei bürstenlose Antriebsmotoren mit Direktantrieb, die die beiden Rotoren antreiben, und sechs bürstenbehaftete Servomotoren zur Steuerung der Blattneigung über eine Taumelscheibe an jedem Rotor. Die Antriebsmotoren werden gesteuert, um die Rotordrehzahl konstant zu halten, auf einem Sollwert, der in Abhängigkeit von der atmosphärischen Dichte zum Zeitpunkt des Fluges gewählt wird. Die Bewegung des Fahrzeugs wird durch Modulieren der Blattsteigung gesteuert, was die Menge an Auftrieb und Luftwiderstand beeinflusst, die durch das Blatt erzeugt werden. Der Taumelscheibenmechanismus ermöglicht zwei Arten der Blattsteigungssteuerung: Die kollektive Steuerung ändert die durchschnittliche Blattsteigung über eine Umdrehung, und die zyklische Steuerung ermöglicht eine periodische Modulation der Blattsteigung mit einer Frequenz von einmal pro Umdrehung mit einer bestimmten Phase und Größe. [Hervorhebung von mir]

— Grip, Håvard F., et al. "Flugkontrollsystem für den Mars-Helikopter der NASA." AIAA Scitech 2019-Forum. 2019. ( PDF ; nasa.gov; frei zugänglich)

Steuereingaben würden zu unterschiedlichen Belastungen an jedem Rotor führen; Der leichteste Weg, beide Rotoren mit der gleichen Geschwindigkeit laufen zu lassen, sind unabhängige Motoren anstelle eines größeren Motors, der beide Rotoren mit einem Getriebe für die Gegenrotation antreibt.

[ Bearbeiten : asdfex wies in einem Kommentar darauf hin, dass sie zwei Motorsysteme haben und die beiden Messersätze daher nicht miteinander verzahnt sind. Es ist also möglich, dass sie Tricks mit dem Beschleunigen und Verlangsamen der Klingen machen, und mein Argument, dass zwei Motorsysteme riskant und schwer sind, ist eindeutig nicht korrekt. Ich lasse den Rest hier, da ich immer noch glaube, dass sie ziemlich konventionelle Helikopter-Steuerungssysteme verwenden (und sie verwenden sicherlich unterschiedliche Tonhöhen), obwohl es eindeutig komplexer ist, als ich dachte.]

Es ist wichtig zu erkennen, dass Ingenuity ein Hubschrauber ist : Es ist verlockend, ihn als ein bisschen wie die Art von Multirotor-Drohnen zu betrachten, die wir alle kennen, aber das ist er überhaupt nicht.

Bei einem Helikopter mit gegenläufigen Blättern wie Ingenuity könnte man tatsächlich drehen, indem man die Geschwindigkeit der Blätter unabhängig voneinander variiert und sich auf die Drehimpulserhaltung verlässt. (Ein Hubschrauber ohne gegenläufig rotierende Blätter tut dies, denn wenn er die Drehzahl der Blätter beschleunigt und verlangsamt, gewinnt oder verliert er auch an Auftrieb. Er könnte sich wahrscheinlich drehen, indem er die Drehzahl des Heckrotors steuert, nehme ich an.)

Aber diese Technik zum Drehen zu verwenden, ist absolut schrecklich. Es ist schrecklich, weil es bedeutet, dass Sie in der Lage sein müssen, die Rotationsgeschwindigkeit der Klingen unabhängig voneinander zu wählen. Sie können dies nicht mit einem Getriebe von einem einzelnen Motor tun, daher benötigen Sie zwei vollständige Motorsysteme , um dies zu tun. Das sind sowohl Massen- als auch wirklich böse Fehlermodi: Wenn etwas passiert, das dazu führt, dass ein Motor langsamer wird, haben Sie einen katastrophalen Unfall, anstatt kontrolliert zu Boden zu sinken. Sie möchten nicht einmal die Möglichkeit haben, dass sich die beiden Rotoren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen können.

Und es ist auch aus einem anderen Grund schrecklich: Wie ich oben sagte, Ingenuity ist ein Hubschrauber, und Hubschrauber müssen , um nützlich zu sein, eine Neigungssteuerung ihrer Rotorblätter haben. Ohne sie können Sie nur auf und ab fahren, wenden (zu einem schrecklichen Preis für Masse und Sicherheit) und ... sich vom Wind wehen lassen, wohin er will. Das ist ein sehr teurer, sehr lauter Ballon (na ja, Ballons können sich nicht drehen).

Um sich also mit einem Helikopter fortbewegen zu können, müssen Sie die Steigung der Blätter sowohl „kollektiv“ (Erhöhen oder Verringern der Steigung um einen konstanten Betrag) als auch „zyklisch“ (Variieren der Steigung in Abhängigkeit vom Winkel) variieren der Klingen. Mit der ersten können Sie den gesamten Auftrieb steuern, mit der zweiten können Sie sich bewegen. Einfallsreichtum bietet beides.

Es giert (dreht sich um eine vertikale Achse) unter Verwendung unterschiedlicher Anstellwinkel.

Ich fand die Antwort, indem ich mir das in der Antwort von ymb1 verlinkte Papier ansah . Danke an ymb1 für den Hinweis auf die richtige Richtung! (Kein Wortspiel beabsichtigt.)

Dieses Papier sagt:

Das Gieren (Kurs) wird ungefähr durch das antisymmetrische Kollektiv gesteuert , das als die Hälfte der Differenz zwischen dem unteren und dem oberen Kollektiv definiert ist. (S. 15)

— Grip, Håvard F., et al. "Flugkontrollsystem für den Mars-Helikopter der NASA." AIAA Scitech 2019-Forum. 2019. ( PDF ; nasa.gov; frei zugänglich)

Mit anderen Worten, das Gieren wird erreicht, indem einer der Rotoren auf eine feinere Steigung (einen flacheren Anstellwinkel) eingestellt wird, wodurch dieser Rotor weniger Luftwiderstand erzeugt, und der andere Rotor auf eine gröbere Steigung (einen steileren Anstellwinkel) eingestellt wird. wodurch dieser Rotor mehr Luftwiderstand erzeugt.

Ein späterer Absatz auf derselben Seite erklärt, wie die Rotordrehzahlen während eines solchen Manövers gleich gehalten werden. Normalerweise würde die Einstellung eines Rotors auf eine gröbere Steigung (und dadurch, dass dieser Rotor mehr Widerstand erzeugt) dazu führen, dass dieser Rotor langsamer wird, was Steuerprobleme verursachen würde. Jedoch,

Dieses Problem wird durch Hinzufügen eines Feedforward-Pfads von der kollektiven Steuerung zu den Motoreingangsspannungen gelöst, die verwendet werden, um das an die Motoren angelegte Drehmoment zu steuern. Beim Betätigen der kollektiven Steuerung werden die Spannungen in Erwartung der Änderung des Rotorwiderstands moduliert, wodurch die Wirkung der kollektiven Eingangsänderung auf die Rotordrehzahlen aufgehoben wird. (ebd., S. 15)