Kurzfassung
Diese Arbeit beschreibt den Entwurf eines kostengünstigen Prüfstands zur Messung an elektrischen Antriebseinheiten für Unmanned Aerial Vehicles (UAV), insbesondere für einen vom Lehrstuhl für Hubschrauber-Technologie der TU München geplanten Tandem-Hubschrauber. Dieser soll im Rahmen eines Studentenprojekts den aktuellen Schwebeflugweltrekord für UAV von 126 Minuten überbieten. Außerdem sollen wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung des elektrischen Antriebs in der Luftfahrt gesammelt werden.
Zur Optimierung dieses Antriebs sollen Drehzahl, Drehmoment, Schub, Temperatur und elektrische Leistungsaufnahme im Dauerbetrieb bis zu 3 Stunden gemessen werden. Zusätzliche Anforderungen werden durch die Größe des Rotors von ca. 2.4m und die Prüfung außerhalb des sogenannten Bodeneffekts gestellt. Zur Messung dieser Größen werden Standard-Komponenten aus dem Modellbau für Drehzahl, Leistungsaufnahme und Temperatur eingesetzt. Für Schub und Drehmoment kommen als kostengünstige und genaue Möglichkeit Wägezellen mit Dehnungsmessstreifen (DMS) zum Einsatz, die mit einer integrierten Elektronik aus Wheatstone-Messverstärker, Analog-Digital-Wandler und USB-Interface ausgewertet werden. Die Einstellung des Motorreglers erfolgt mittels eines zusätzlichen PWM-Moduls, um eine Ansteuerung durch einen PC zu ermöglichen. Verschiedene Lastfälle können durch Variation der Luftschraube, z.B. mit einstellbarer Steigung simuliert werden.
Die detaillierte mechanische Konstruktion des Prüfstands ist nicht Bestandteil dieser Arbeit.
Abstract
This paper presents the design of a low cost test bench for measurements of electric propulsion units for unmanned aerial vehicles (UAV), particularly for a tandem helicopter planned by the Institute of Helocopter Technology at the TU Munich. That helicopter is aimed at surpassing the current world record for endurance hovering flights of UAV at 126 minutes. Additionally, valuable insights would be expected for the optimization of electric propulsion in aerospace. For optimizing the electric propulsion system, rotation speed, torque, thrust, temperature and electric power consumption have to be collected during up to three hours long test runs. Additional requirements come from the rotor size of about 2.4m and the desire to test outside the so-called ground effect.
For measuring these parameters, standard components from RC models are used for rotation rate, power consumption and temperature. For torque and thrust, load cells equipped with straing gauges provide a low cost yet precise instrument. They are analyzed via an integrated electronics board combining the low noise wheatstone bridge amplifier, analog-digital conversion and a USB interface. The electronic motor speed controller is addressed via an additional PWM module, providing control via a PC. Different rotors, possibly including adjustable pitch permit testing under different load scenarios.
A detailed construction design with mechanical drawings is not part of this paper.