Untersuchung des Einflusses von UAV-Rotoren auf die Messergebnisse eines 2D-Ultraschallanemometers

Technischer Artikel | Ultraschall-Windmesstechnik von Hongyu

Einführung

Die Technologie zur Quellensuche von Luftschadstoffen mittels unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) hat sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt [1]. Weltweit kombiniert eine wachsende Zahl von Forschungsarbeiten unbemannte Luftfahrzeuge mit Messgeräten zur Erfassung von Luftschadstoffen, um Verschmutzungsquellen zu identifizieren und zu verfolgen [2]. Bei der Quellensuche mittels UAVs ist es relativ einfach, Richtung und Geschwindigkeit der Schadstoffausbreitung vorherzusagen, indem man das UAV mit einem Windgeschwindigkeits- und -richtungssensor ausstattet und die Veränderungen des bodennahen Windfelds misst.

Herkömmliche Methoden zur Messung von atmosphärischen Windfeldern in niedrigen Höhen basieren hauptsächlich auf meteorologischen Türmen oder Windmessmasten [3–5]. Diese Konstruktionen sind schwer, müssen in ausreichendem Abstand zu Hochhäusern und Bäumen aufgestellt werden und eignen sich primär zur Messung vertikaler Windprofile. Daher stoßen meteorologische Türme und Windmessmasten bei der Messung horizontaler Windfelder in Bodennähe an ihre Grenzen [6–7]. 1992 nutzten Holland et al. erstmals eine Starrflügeldrohne mit Pitot-Rohr zur Messung von Windfeldern in großen Höhen. Aufgrund der Flugeigenschaften von Starrflügeldrohnen war die Methode jedoch hauptsächlich auf horizontale Windmessungen beschränkt.

Im Vergleich zu Starrflügel-UAVs können Multikopter-UAVs vertikal auf- und absteigen sowie schweben. Ausgestattet mit einem Windsensor können sie nicht nur horizontale Windfelder messen, sondern auch die Analyse vertikaler Windfeldvariationen unterstützen. Jiang Ming et al. [9] nutzten einen mit einem 2D-Ultraschall-Windsensor ausgestatteten Multikopter-UAV, um während eines Schwebeflugs in 40 m Höhe Windmessungen in geringer Höhe durchzuführen. Die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen dem am UAV montierten Ultraschallsensor und statischen Messungen von einem Gradiententurm in derselben Höhe mit einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeitsabweichung von 0,46 m/s. Dies belegt die Machbarkeit von Windmessungen mit Multikopter-UAVs. Zahlreiche Studien haben zudem Algorithmen für die 2D-Ultraschall-Windmessung auf Multikopter-UAVs untersucht.

Während des Fluges oder Schwebens von unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) stören die durch die rotierenden Rotoren erzeugten Turbulenzen unweigerlich die Luftströmung um das bordeigene Anemometer. Daher können sowohl die Wahl des Anemometers als auch dessen Montageposition auf dem UAV die Messergebnisse beeinflussen. In dieser Studie wird ein von Hongyu unabhängig entwickelter, kompakter Ultraschall-Windgeschwindigkeits- und -richtungssensor, der auf dem Prinzip der akustischen Resonanz basiert, auf einem Multikopter-UAV montiert, um bodennahe Windfelder zu untersuchen. Ziel ist es, den Einfluss der rotorinduzierten Turbulenzen auf die Windgeschwindigkeitsmessungen mit UAVs zu ermitteln.

1. Analyse der Prinzipien der UAV-basierten Windmessung

Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist die von den Rotoren eines Multikopter-UAVs erzeugte Turbulenz überwiegend nach unten gerichtet (siehe Pfeile). Da die Rotoren in einem bestimmten Abstand vom Zentrum des UAVs angeordnet sind, herrscht um den zentralen Bereich eine relativ ruhige Luftströmungszone. Wird ein kompakter oder miniaturisierter 2D-Windsensor, dessen Abmessungen kleiner als diese ruhige Zone sind, oberhalb oder unterhalb des UAVs innerhalb dieser Zone montiert, so ist zu erwarten, dass die Messung der horizontalen Windgeschwindigkeit weitgehend unbeeinflusst von der rotorbedingten nach unten gerichteten Turbulenz ist.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der UAV-montierten Windmessung

2. Experimentelles Programm

2.1 Versuchsausrüstung

Für das Experiment wurden zwei im eigenen Haus hergestellte Hongyu HY-SA256 2D Ultraschall-Windgeschwindigkeits- und -richtungssensoren zusammen mit einer sechsrotorigen Drohne verwendet.

2.1.1 HY-SA256 Windgeschwindigkeits- und -richtungssensor

Wie in Abbildung 2 dargestellt, handelt es sich beim HY-SA256 um ein Ultraschallanemometer, das auf dem Prinzip der akustischen Resonanzmessung basiert. Es ist speziell für die Installation auf kleinen Flugzeugen und unbemannten Plattformen zur Überwachung von Windgeschwindigkeit und -richtung in niedrigen Höhenlagen konzipiert.

[Abbildung / Produktbild: HY-SA256 UAV-spezifische Wetterstation]

Abbildung 2. Miniaturisierter Ultraschall-Windsensor

2.1.2 Sechsrotor-UAV

Wie in Abbildung 3 dargestellt, handelte es sich bei der Versuchsplattform um eine V6-Sechsrotor-Drohne mit einer Armlänge von 400 mm und einem Rotordurchmesser von 400 mm. Der Mindestabstand jedes Rotors zur Drohnenmitte betrug somit 200 mm. Der eingeschlossene Winkel zwischen benachbarten Armen nach dem Ausfahren betrug 60°.

[Abbildung / Produktbild: Sechsrotor-Drohne]

Abbildung 3. Sechsrotor-UAV

2.2 Versuchsplanung

2.2.1 Versuchsaufbau 1 — F1030

Wie in Abbildung 4 dargestellt, wurde ein Ultraschall-Windsensor vom Typ HY-SA256 oberhalb und ein weiterer unterhalb des Fluggeräts installiert. Die Halterung des oberen Sensors war 600 mm lang. Beide Sensoren waren entlang der Mittellinie des Fluggeräts positioniert. Bei stehendem Fluggerät am Boden wurden die Rotoren ohne Start betrieben und die Windgeschwindigkeit gemessen. Das Datenaktualisierungsintervall betrug 1 Sekunde, die Gesamtdauer des Tests 120 Sekunden.

[Abbildung / Produktbild: Sechsrotor-Drohne ausgestattet mit HY-S256]

Abbildung 4. UAV-Windmesstest

2.2.2 Versuchsaufbau 2

Bei der in Versuchsaufbau 1 beschriebenen Sensoranordnung blieb der untere Sensor an seiner ursprünglichen Position, während die Stützstange des oberen Sensors zunächst auf 300 mm und anschließend auf 0 mm verändert wurde. Der Sensor befand sich dabei direkt in der Mitte der Drohne. Die Windgeschwindigkeit wurde in jeder Konfiguration gemessen. Das Abtastintervall betrug 1 Sekunde, die Gesamtdauer des Tests 120 Sekunden.

[Abbildung / Produktbild: 300 mm Stützstangenkonfiguration]

[Abbildung / Produktbild: 0 mm Stützstangenkonfiguration]

2.2.3 Versuchsaufbau 3

In Versuchsaufbau 1 blieb der obere Sensor fixiert. Der untere Sensor wurde zunächst direkt unterhalb der Drohnenmitte, dann unterhalb der Rotorkante und schließlich direkt unterhalb des Mittelpunkts zwischen zwei benachbarten Rotoren platziert. Die Drohne blieb während des Rotorbetriebs am Boden, und die Windgeschwindigkeit wurde an jeder der drei Positionen gemessen. Das Datenaktualisierungsintervall betrug 1 Sekunde, die Gesamtdauer des Tests 120 Sekunden.

[Abbildung / Produktbild: Vergleich dreier Positionen]

2.2.4 Versuchsaufbau 4

Mithilfe der in Versuchsaufbau 1 beschriebenen Sensoranordnung wurde die Drohne zur Windgeschwindigkeitsmessung in Höhen von 60 m und 100 m über dem Boden gehalten. Die Daten wurden jede Sekunde aktualisiert, die Gesamtdauer des Tests betrug 120 Sekunden.

[Abbildung / Produktbild: Messung des Schwebeflugs einer UAV in großer Höhe]

Abbildung 5. Windmessung während des Schwebens der Drohne

3. Analyse der experimentellen Ergebnisse

3.1 Ergebnisse von Versuchsaufbau 1

[Abbildung / Produktbild: Datenergebnisse von Setup 1]

Abbildung 6. Ergebnisse aus Versuchsaufbau 1

Wie in Abbildung 6 dargestellt, waren die von den beiden Sensoren, die oberhalb und unterhalb der Drohne angebracht waren, gemessenen Windgeschwindigkeitsdaten nahezu identisch.

3.2 Ergebnisse von Versuchsaufbau 2

[Abbildung / Produktbild: Datenergebnisse von Setup 2]

Abbildung 7. Ergebnisse aus Versuchsaufbau 2

Abbildung 7(a) und 7(b) zeigen keinen signifikanten Unterschied zwischen den Windgeschwindigkeiten ober- und unterhalb der Drohne. Dies deutet darauf hin, dass die Windgeschwindigkeitsmessungen im windstillen Bereich um die Drohnenmitte nicht wesentlich von der Länge der Sensorhalterung beeinflusst werden.

3.3 Ergebnisse von Versuchsaufbau 3

[Abbildung / Produktbild: Datenergebnisse von Setup 3]

Abbildung 8. Ergebnisse aus Versuchsaufbau 3

Wie in Abbildung 8 dargestellt, war unter den vier Messbedingungen a/b/c/d in Aufbau 3 nur die Windgeschwindigkeitsmessung, die direkt unterhalb der Mitte der Drohne durchgeführt wurde, von der Rotorrotation unbeeinflusst.

3.4 Ergebnisse des Aufbaus 4

[Abbildung / Produktbild: Datenergebnisse von Setup 4]

Abbildung 9. Ergebnisse aus Versuchsaufbau 4

Wie in Abbildung 9 dargestellt, gab es keinen signifikanten Unterschied zwischen den von den beiden Sensoren gemessenen Windgeschwindigkeiten, während die Drohne in 60 m und 100 m Höhe schwebte.

4. Schlussfolgerung

Ein Multikopter-UAV weist um seinen Mittelpunkt einen relativ ruhigen Luftströmungsbereich auf. Wird ein Miniatur-Windsensor (dessen Abmessungen kleiner als dieser ruhige Bereich sind) in diesem Bereich für Messungen im Schwebeflug montiert, werden die Messergebnisse weitgehend nicht durch die von den Rotoren erzeugten Turbulenzen beeinflusst. Darüber hinaus ist die gemessene Windgeschwindigkeit nicht signifikant von der Länge der Haltestange abhängig.

Referenzen

[1] Liu, K. Entwurf und Implementierung eines UAV-basierten Visualisierungssystems zur Verfolgung von Luftverschmutzungsquellen [J]. Electromechanical Information, 2021(20): 38–40.

[2] Qu, YW, Wang, TJ, Yuan, C., et al. Forschungsfortschritte bei der UAV-basierten Detektion und Quellensuche von atmosphärischer Feinstaub- und Ozonbelastung [J]. Environmental Science, 2023, 44(12): 6598–6609.

[3] Huang, BC Prinzipien und Anwendungen der Strukturwindwiderstandsanalyse [M]. Shanghai: Tongji University Press, 2001: 47–49.

[4] Li, ZN, Yu, M., Wu, HH, et al. Korrelationsstudie gemessener Windfelder und Winddrücke für ein niedriggeschossiges Modellgebäude [J]. Journal of Hunan University (Naturwissenschaften), 2016, 43(5): 70–78.

[5] Huang, B., Li, ZN, Zhao, ZF, et al. Bodennaher, verunreinigungsfreier Wind und windgetriebener Sand von Photovoltaik-Kraftwerken in einem Wüstengebiet [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.

[6] Li, ZN, Wu, WX, Wang, ZF Experimentelle Studie der bodennahen Windfeldcharakteristika in den Vororten von Peking [J]. Journal of Building Structures, 2013, 34(9): 82–90.

[7] Hu, SY, Li, QS Feldmessung der Windlasten auf niedrige Gebäude (I): Charakteristika des bodennahen Grenzschichtwindfelds während eines auf Land treffenden Taifuns [J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(2): 77–84.

[8] Holland, GJ, McGeer, T., Youngren, H. Autonome Aerosonden für wirtschaftliche Atmosphärensondierungen überall auf der Welt [J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1998, 73.

[9] Jiang, M., Shi, J., Li, JQ, et al. Experimentelle Studie von auf Multikopter-UAVs montierten 2D-Ultraschall-Windsensoren [J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2021, 40(5): 88–94.

Produkt- und Anwendungskontext

Der HY-SA256 ist ein kompakter 2D-Ultraschallsensor zur Messung von Windgeschwindigkeit und -richtung für Kleinflugzeuge, UAVs und unbemannte Plattformen. Dank seiner kompakten Abmessungen von 50 mm × 50 mm, seines Gewichts von 56 g, des digitalen RS485-Ausgangs und des breiten Betriebstemperaturbereichs eignet er sich für atmosphärische Messungen in niedrigen Höhen, die UAV-basierte Umweltüberwachung, die Ortung von Luftschadstoffquellen, mobile meteorologische Beobachtungen und weitere Anwendungen, bei denen geringes Gewicht und kompakte Integration entscheidend sind.