Estudio de Diseño y Rendimiento de Pequeños UAVs Multirrotor con Extensor de Rango de Alas Plegables Adicionales
Autores: Zhang, Ronghao; Lu, Yang; Xu, Xice; Zhang, Heyang; Guan, Kai
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Estudio de Diseño y Rendimiento de Pequeños UAVs Multirrotor con Extensor de Rango de Alas Plegables Adicionales
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Pequeños
UAVs de múltiples rotores
Alas plegables
Extensor de rango
Consumo de energía
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Los UAVs multirrotor pequeños enfrentan limitaciones de resistencia durante misiones de largo alcance debido al alto consumo de energía de los rotores y la capacidad limitada de la batería. Este documento propone un extensor de rango con alas plegables que integra un ala plegable de dos grados de libertad que se desliza y rota, la cual, al desplegarse, cuadruplica la longitud del fuselaje pero se pliega dentro de su perfil, y una hélice de empuje trasera. El dispositivo puede instalarse rápidamente en UAVs multirrotor pequeños anfitriones. Durante el crucero, utiliza la descarga de las alas y el flujo de aire horizontal entrante para reducir el consumo de energía del rotor, extendiendo significativamente el rango mientras impacta mínimamente en la portabilidad, conveniencia operativa y maniobrabilidad. Para evaluar su rendimiento, se desarrolló una plataforma de prueba de cuadricóptero de clase de 1 kg y un extensor de ala plegable correspondiente. Se estableció un modelo de consumo de energía utilizando la Teoría de Elementos de Cuchilla y se realizó un análisis de simulación de tres condiciones de vuelo. Los resultados muestran que después de la instalación, la potencia requerida del rotor disminuye sustancialmente con el aumento de la velocidad, mientras que el crecimiento de la potencia total del sistema se ralentiza notablemente. Aunque el peso y la resistencia añadidos aumentan el consumo de energía a baja velocidad, la extensión neta del rango surge cerca de 15 m/s y se intensifica con la velocidad. Un análisis de sensibilidad paramétrica y un análisis del perfil de misión indican que la reducción de peso y la optimización aerodinámica pueden mejorar efectivamente el rendimiento del dispositivo. Además, el análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) confirma la efectividad del diseño del ala dihedral en la mitigación de la interferencia mutua entre el rotor y el ala. Las pruebas de vuelo que cubren cinco condiciones validaron la efectividad del extensor, demostrando a 20 m/s de crucero: una reducción del 20% en la potencia total, una mejora del 25% en la resistencia/rango, un 34% menos de potencia específica y un 52% más de relación equivalente de sustentación a resistencia en comparación con el UAV base.
Descripción
Los UAVs multirrotor pequeños enfrentan limitaciones de resistencia durante misiones de largo alcance debido al alto consumo de energía de los rotores y la capacidad limitada de la batería. Este documento propone un extensor de rango con alas plegables que integra un ala plegable de dos grados de libertad que se desliza y rota, la cual, al desplegarse, cuadruplica la longitud del fuselaje pero se pliega dentro de su perfil, y una hélice de empuje trasera. El dispositivo puede instalarse rápidamente en UAVs multirrotor pequeños anfitriones. Durante el crucero, utiliza la descarga de las alas y el flujo de aire horizontal entrante para reducir el consumo de energía del rotor, extendiendo significativamente el rango mientras impacta mínimamente en la portabilidad, conveniencia operativa y maniobrabilidad. Para evaluar su rendimiento, se desarrolló una plataforma de prueba de cuadricóptero de clase de 1 kg y un extensor de ala plegable correspondiente. Se estableció un modelo de consumo de energía utilizando la Teoría de Elementos de Cuchilla y se realizó un análisis de simulación de tres condiciones de vuelo. Los resultados muestran que después de la instalación, la potencia requerida del rotor disminuye sustancialmente con el aumento de la velocidad, mientras que el crecimiento de la potencia total del sistema se ralentiza notablemente. Aunque el peso y la resistencia añadidos aumentan el consumo de energía a baja velocidad, la extensión neta del rango surge cerca de 15 m/s y se intensifica con la velocidad. Un análisis de sensibilidad paramétrica y un análisis del perfil de misión indican que la reducción de peso y la optimización aerodinámica pueden mejorar efectivamente el rendimiento del dispositivo. Además, el análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) confirma la efectividad del diseño del ala dihedral en la mitigación de la interferencia mutua entre el rotor y el ala. Las pruebas de vuelo que cubren cinco condiciones validaron la efectividad del extensor, demostrando a 20 m/s de crucero: una reducción del 20% en la potencia total, una mejora del 25% en la resistencia/rango, un 34% menos de potencia específica y un 52% más de relación equivalente de sustentación a resistencia en comparación con el UAV base.