¿Ingenuity gira a través de velocidades de rotor diferenciales o ángulos de ataque diferenciales?

Hackaday tiene un artículo bien escrito que describe muy bien el sistema de control de Ingenuity.

Otra forma en la que Ingenuity se diferencia de los multicópteros terrestres es en los sistemas de control de vuelo. Mientras que la mayoría de los quads solo tienen palas de rotor de paso fijo y usan velocidad diferencial del motor para lograr control de cabeceo, guiñada y balanceo, Ingenuity usa un par de placas cíclicas para controlar el paso colectivo y cíclico de cada rotor. Cada plato cíclico de titanio está controlado por un trío de diminutos servos anclados al mástil del rotor y está conectado al rotor mediante bielas mecanizadas a partir de plástico de polieteretercetona (PEEK).

Imagen cortesía del sitio vinculado.

Estoy bastante sorprendido de ver controles de plato cíclico en un helicóptero tan pequeño, pero creo que la mayor ventaja estaría en el control preciso que proporcionaría dicho sistema. Un poco más de complejidad, por supuesto, pero las piezas no son tan grandes como para impactar en la nave, como atestiguan los vuelos recientes.

Como muestra la respuesta de @fred_dot_u en una publicación de blog, el mecanismo de control son dos platos cíclicos .

El fabricante de los seis motores que controlan los platos cíclicos confirma que:

Seis micromotores de precisión DCX con un diámetro de 10 milímetros son responsables de mover el plato cíclico y, por lo tanto, ajustar la inclinación de las palas del rotor, es decir, controlar el vehículo.

— maxongroup.com

Un plato cíclico se inclina y se traslada (arriba/abajo; paso colectivo), lo que cambia el paso de las palas. El paso colectivo opuesto con dos rotores da como resultado una guiñada, como se usa en los helicópteros terrestres coaxiales (disimetría del par).

Pero, ¿qué pasa con los dos motores de propulsión?

Ambos se ejecutan a la misma velocidad:

El vehículo cuenta con un total de ocho motores: dos motores de propulsión de transmisión directa sin escobillas que impulsan los dos rotores y seis servomotores con escobillas para controlar el paso de las palas a través de un plato cíclico en cada rotor. Los motores de propulsión se controlan para mantener constante la velocidad del rotor, en un punto de ajuste elegido en función de la densidad atmosférica en el momento del vuelo. El movimiento del vehículo se controla mediante la modulación del paso de la pala, lo que afecta la cantidad de sustentación y arrastre que produce la pala. El mecanismo del plato cíclico permite dos tipos de control de paso de pala: el control colectivo cambia el paso promedio durante una rotación y el control cíclico permite la modulación periódica del paso de pala a una frecuencia de una vez por revolución, con una fase y magnitud específicas. [énfasis mío]

— Grip, Håvard F., et al. "Sistema de control de vuelo para el helicóptero de Marte de la NASA". Foro AIAA Scitech 2019. 2019. ( PDF ; nasa.gov; acceso gratuito)

Las entradas de control darían como resultado diferentes cargas en cada rotor; La forma más ligera de hacer que ambos rotores funcionen a la misma velocidad son los motores independientes, en lugar de un motor más grande que haga funcionar ambos rotores con un engranaje para la contrarrotación.

[ Editar : asdfex señaló en un comentario que tienen dos sistemas de motor y, por lo tanto, los dos juegos de cuchillas no están acoplados. Entonces, es posible que hagan trucos al acelerar y desacelerar las cuchillas, y mi argumento de que dos sistemas de motor son riesgosos y pesados ​​​​claramente no es correcto. Dejo el resto de esto aquí porque sigo creyendo que usan sistemas de control de helicópteros bastante convencionales (y ciertamente usan un tono variable), aunque claramente es más complejo de lo que pensaba.]

Es importante darse cuenta de que Ingenuity es un helicóptero : es tentador pensar que es un poco como el tipo de drones multirotor que todos conocemos, pero no lo es en absoluto.

Con un helicóptero con palas que giran en sentido contrario como Ingenuity, de hecho podría girar variando la velocidad de las palas de forma independiente entre sí y confiando en la conservación del momento angular. (Un helicóptero sin palas que giran en sentido contrario hace eso porque si acelera y reduce la velocidad de rotación de las palas, también gana o pierde sustentación. Probablemente podría girar controlando la velocidad de rotación del rotor de cola, supongo).

Pero usar esta técnica para girar es absolutamente horrible. Es horrible porque significa que debe poder elegir la velocidad de rotación de las cuchillas de forma independiente entre sí. No puede hacer esto con engranajes de un solo motor, por lo que necesita dos sistemas de motor completos para hacerlo. Esos son modos de falla masivos y realmente desagradables: si sucede algo que hace que un motor disminuya la velocidad, tiene un accidente catastrófico en lugar de descender al suelo de manera controlada. Ni siquiera desea la posibilidad de que los dos rotores puedan girar a diferentes velocidades.

Y también es horrible por otra razón: como dije arriba, Ingenuity es un helicóptero, y los helicópteros, para ser útiles, deben tener control de cabeceo de sus aspas. Sin él, todo lo que puedes hacer es subir y bajar, girar (a un costo horrible en masa y seguridad) y... dejar que el viento te lleve donde quiera. Es un globo muy caro y muy ruidoso (bueno, los globos no pueden girar).

Entonces, para poder moverse con un helicóptero, debe variar el paso de las palas tanto 'colectivamente' (aumentando o disminuyendo el paso en una cantidad constante) como 'cíclicamente' (variando el paso dependiendo del ángulo de las palas. El primero de ellos te permite controlar la sustentación general y el segundo te permite moverte. El ingenio hace ambas cosas.

Gira (gira sobre un eje vertical) utilizando ángulos de ataque diferenciales.

Encontré la respuesta mirando el documento vinculado en la respuesta de ymb1 . ¡Gracias a ymb1 por indicarme la dirección correcta! (Sin juego de palabras).

Ese papel dice:

La guiñada (rumbo) está controlada aproximadamente por el colectivo antisimétrico , que se define como la mitad de la diferencia entre el colectivo inferior y el superior. (pág. 15)

— Grip, Håvard F., et al. "Sistema de control de vuelo para el helicóptero de Marte de la NASA". Foro AIAA Scitech 2019. 2019. ( PDF ; nasa.gov; acceso gratuito)

En otras palabras, la guiñada se logra ajustando uno de los rotores a un paso más fino (un ángulo de ataque más bajo), lo que hace que el rotor produzca menos resistencia y ajustando el otro rotor a un paso más grueso (un ángulo de ataque más pronunciado), haciendo que el rotor produzca más arrastre.

Un párrafo posterior en la misma página explica cómo las velocidades del rotor se mantienen iguales entre sí durante dicha maniobra. Normalmente, ajustar un rotor a un paso más grueso (y, por lo tanto, hacer que el rotor produzca más resistencia) haría que el rotor se ralentizara, lo que provocaría problemas de control. Sin embargo,

Este problema se resuelve mediante la adición de una ruta de realimentación desde el control colectivo hasta los voltajes de entrada del motor, que se utilizan para controlar el par aplicado a los motores. Al accionar el control colectivo, los voltajes se modulan anticipando el cambio en la resistencia del rotor, anulando así el efecto del cambio de entrada colectivo en las velocidades del rotor. (ibíd., pág. 15)