Investigación sobre la influencia de los rotores de vehículos aéreos no tripulados en los resultados de medición de un anemómetro ultrasónico 2D.

Artículo técnico | Tecnología de medición de viento por ultrasonidos de Hongyu

Introducción

La tecnología de rastreo de fuentes de contaminantes atmosféricos mediante UAV se ha desarrollado rápidamente en los últimos años [1]. Un creciente número de investigaciones a nivel mundial ha combinado vehículos aéreos no tripulados con equipos de detección de contaminantes atmosféricos para identificar y rastrear las fuentes de contaminación [2]. Durante el rastreo de fuentes de contaminantes mediante UAV, una forma relativamente sencilla de anticipar la dirección y la velocidad de dispersión de los contaminantes es equipar el UAV con un sensor de velocidad y dirección del viento y medir los cambios en el campo de viento atmosférico cercano al suelo.

Los métodos tradicionales para medir campos de viento atmosféricos a baja altitud se basan principalmente en torres meteorológicas o mástiles de viento [3–5]. Estas estructuras son pesadas, deben instalarse lejos de edificios altos y árboles, y son principalmente adecuadas para medir perfiles de viento verticales. En consecuencia, las torres meteorológicas y los mástiles de viento tienen limitaciones al medir campos de viento horizontales cerca del suelo [6–7]. En 1992, Holland et al. utilizaron por primera vez un UAV de ala fija equipado con un tubo Pitot para medir campos de viento a gran altitud. Sin embargo, debido a las características de vuelo de los UAV de ala fija, el método se limitó principalmente a mediciones de viento horizontales.

En comparación con los UAV de ala fija, los UAV multirrotor pueden ascender y descender verticalmente y mantenerse en vuelo estacionario. Equipados con un sensor de viento, no solo pueden medir campos de viento horizontales, sino también analizar las variaciones del campo de viento vertical. Jiang Ming et al. [9] utilizaron un UAV multirrotor equipado con un sensor de viento ultrasónico 2D para realizar mediciones de viento a baja altitud durante un vuelo estacionario de 40 m. Los resultados mostraron una buena concordancia entre el sensor ultrasónico montado en el UAV y las mediciones estáticas de una torre de gradiente a la misma altitud, con una desviación promedio de la velocidad del viento de 0,46 m/s, lo que demuestra la viabilidad de la medición del viento con UAV multirrotor. Varios estudios también han investigado algoritmos para la medición de viento ultrasónico 2D en UAV multirrotor.

Durante el vuelo o el vuelo estacionario de un UAV, la turbulencia generada por los rotores giratorios perturba inevitablemente el flujo de aire alrededor del anemómetro a bordo. Por lo tanto, tanto la elección del anemómetro como su posición de montaje en el UAV pueden afectar los resultados de la medición. En este estudio, se monta en un UAV multirrotor un sensor ultrasónico compacto de velocidad y dirección del viento, desarrollado independientemente por Hongyu y basado en el principio de resonancia acústica, para investigar los campos de viento cercanos al suelo. El objetivo es determinar cómo la turbulencia inducida por los rotores influye en las mediciones de velocidad del viento realizadas con el UAV.

1. Análisis de los principios de la medición del viento mediante vehículos aéreos no tripulados (UAV).

Como se ilustra en la Figura 1, la turbulencia generada por los rotores de un UAV multirrotor se dirige predominantemente hacia abajo, como indican las flechas. Debido a que los rotores se encuentran a cierta distancia del centro del UAV, existe una región de flujo de aire relativamente tranquilo alrededor del área central. Si se instala un sensor de viento 2D compacto o miniatura, cuyas dimensiones sean menores que esta región de flujo de aire tranquilo, sobre el UAV o debajo de su fuselaje dentro de esta región, se espera que la medición de la velocidad del viento horizontal no se vea afectada significativamente por la turbulencia descendente generada por los rotores.

Figura 1. Diagrama esquemático de la medición del viento montada en un UAV.

2. Programa experimental

2.1 Equipos experimentales

El experimento utilizó dos sensores ultrasónicos 2D de velocidad y dirección del viento Hongyu HY-SA256, fabricados internamente, junto con un UAV de seis rotores.

2.1.1 Sensor de velocidad y dirección del viento HY-SA256

Como se muestra en la Figura 2, el HY-SA256 es un anemómetro ultrasónico basado en el principio de medición por resonancia acústica. Está diseñado específicamente para su instalación en aeronaves pequeñas y plataformas no tripuladas con el fin de monitorizar la velocidad y la dirección del viento en regiones de baja altitud.

[Figura / Imagen del producto: Estación meteorológica HY-SA256 específica para UAV]

Figura 2. Sensor de viento ultrasónico en miniatura

2.1.2 UAV de seis rotores

Como se muestra en la Figura 3, la plataforma experimental era un UAV V6 de seis rotores con una longitud de brazo de 400 mm y un diámetro de rotor de 400 mm. En otras palabras, la distancia mínima desde cada rotor al centro del UAV era de 200 mm. El ángulo entre brazos adyacentes después del despliegue era de 60°.

[Figura / Imagen del producto: UAV de seis rotores]

Figura 3. UAV de seis rotores

2.2 Diseño experimental

2.2.1 Configuración experimental 1 — F1030

Como se muestra en la Figura 4, se instaló un sensor de viento ultrasónico HY-SA256 sobre el UAV y otro debajo de la parte inferior. La varilla de soporte del sensor superior tenía 600 mm de longitud. Ambos sensores se ubicaron a lo largo del eje central del UAV. Con el UAV inmóvil en tierra, se activaron los rotores sin despegar y se midió la velocidad del viento. El intervalo de actualización de datos fue de 1 segundo y la duración total de la prueba fue de 120 segundos.

[Figura / Imagen del producto: UAV de seis rotores equipado con HY-S256]

Figura 4. Prueba de medición de viento con UAV

2.2.2 Configuración experimental 2

Utilizando la configuración de sensores del Montaje 1, el sensor inferior permaneció en su posición original, mientras que la varilla de soporte del sensor superior se modificó a 300 mm y luego a 0 mm, con el sensor ubicado directamente en el centro del UAV. Se midió la velocidad del viento en cada configuración. El intervalo de muestreo fue de 1 segundo y la duración total de la prueba fue de 120 segundos.

[Figura / Imagen del producto: Configuración de varilla de soporte de 300 mm]

[Figura / Imagen del producto: configuración de varilla de soporte de 0 mm]

2.2.3 Configuración experimental 3

Utilizando la configuración del Montaje 1, el sensor superior permaneció fijo. El sensor inferior se colocó primero en el suelo, justo debajo del centro del UAV, luego se movió al suelo bajo el borde del rotor y, finalmente, se colocó en el suelo justo debajo del punto medio entre dos rotores adyacentes. El UAV permaneció en el suelo mientras los rotores estaban en funcionamiento, y se midió la velocidad del viento en cada una de las tres ubicaciones. El intervalo de actualización de datos fue de 1 segundo, con una duración total de la prueba de 120 segundos.

[Figura / Imagen del producto: Comparación en tres posiciones]

2.2.4 Configuración experimental 4

Utilizando la configuración de sensores del Montaje 1, el UAV se mantuvo en vuelo estacionario a alturas de 60 m y 100 m sobre el suelo para medir la velocidad del viento. Los datos se actualizaron cada segundo, con una duración total de la prueba de 120 segundos.

[Figura / Imagen del producto: Medición del vuelo estacionario de un UAV a gran altitud]

Figura 5. Medición del viento durante el vuelo estacionario del UAV.

3. Análisis de los resultados experimentales

3.1 Resultados de la configuración 1

[Figura / Imagen del producto: Resultados de los datos de la configuración 1]

Figura 6. Resultados de la configuración 1

Como se muestra en la Figura 6, los datos de velocidad del viento medidos por los dos sensores montados encima y debajo del UAV fueron prácticamente idénticos.

3.2 Resultados de la configuración 2

[Figura / Imagen del producto: Resultados de los datos de la configuración 2]

Figura 7. Resultados de la configuración 2.

Las figuras 7(a) y 7(b) no muestran diferencias significativas entre las velocidades del viento medidas por encima y por debajo del UAV. Esto indica que, dentro de la zona de calma alrededor del centro del UAV, las mediciones de la velocidad del viento no se ven afectadas significativamente por la longitud de la varilla de soporte del sensor.

3.3 Resultados de la configuración 3

[Figura / Imagen del producto: Resultados de los datos de la configuración 3]

Figura 8. Resultados de la configuración 3.

Como se muestra en la Figura 8, entre las cuatro condiciones de medición a/b/c/d en la Configuración 3, solo la medición de la velocidad del viento tomada directamente debajo del centro del UAV no se vio afectada por la rotación del rotor.

3.4 Resultados de la configuración 4

[Figura / Imagen del producto: Resultados de datos de la configuración 4]

Figura 9. Resultados de la configuración 4.

Como se muestra en la Figura 9, no hubo diferencias significativas entre las velocidades del viento medidas por los dos sensores mientras el UAV se mantenía suspendido a 60 m y 100 m de altura.

4. Conclusión

Un UAV multirrotor presenta una región de flujo de aire relativamente estable alrededor de su centro. Al instalar un sensor de viento en miniatura (con dimensiones menores que esta región estable) dentro de esta área para realizar mediciones de vuelo estacionario, los resultados de la medición no se ven afectados significativamente por la turbulencia descendente generada por los rotores. Además, la velocidad del viento medida no depende de manera significativa de la longitud de la varilla de soporte.

Referencias

[1] Liu, K. Diseño e implementación de un sistema de visualización basado en UAV para el rastreo de fuentes de contaminación atmosférica [J]. Información electromecánica, 2021(20): 38–40.

[2] Qu, YW, Wang, TJ, Yuan, C., et al. Avances en la investigación sobre la detección y el rastreo de fuentes de material particulado fino atmosférico y contaminación por ozono mediante UAV [J]. Environmental Science, 2023, 44(12): 6598–6609.

[3] Huang, BC Principios y aplicaciones del análisis de resistencia estructural al viento [M]. Shanghái: Tongji University Press, 2001: 47–49.

[4] Li, ZN, Yu, M., Wu, HH, et al. Estudio de correlación de campos de viento y presiones de viento medidos para un modelo de edificio de baja altura [J]. Revista de la Universidad de Hunan (Ciencias Naturales), 2016, 43(5): 70–78.

[5] Huang, B., Li, ZN, Zhao, ZF, et al. Viento libre de impurezas cerca del suelo y arena impulsada por el viento de centrales fotovoltaicas en una zona desértica [J]. Revista de ingeniería eólica y aerodinámica industrial.

[6] Li, ZN, Wu, WX, Wang, ZF Estudio experimental de las características del campo de viento cerca del suelo en los suburbios de Pekín [J]. Revista de Estructuras de Edificios, 2013, 34(9): 82–90.

[7] Hu, SY, Li, QS Medición de campo de cargas de viento en edificios de poca altura (I): Características del campo de viento de la capa límite cercana al suelo durante un tifón que toca tierra [J]. Revista de Ingeniería Civil de China, 2012, 45(2): 77–84.

[8] Holland, GJ, McGeer, T., Youngren, H. Aerosondas autónomas para sondeos atmosféricos económicos en cualquier lugar del mundo [J]. Boletín de la Sociedad Meteorológica Americana, 1998, 73.

[9] Jiang, M., Shi, J., Li, JQ, et al. Estudio experimental de sensores de viento ultrasónicos 2D montados en UAV multirrotor [J]. Tecnología de medición electrónica extranjera, 2021, 40(5): 88–94.

Contexto del producto y la aplicación

El HY-SA256 se posiciona como un sensor ultrasónico 2D compacto de velocidad y dirección del viento para aeronaves pequeñas, UAV y plataformas no tripuladas. Su formato compacto de 50 mm × 50 mm, su peso de 56 g, su salida digital RS485 y su amplio rango de temperatura de funcionamiento lo hacen adecuado para mediciones atmosféricas a baja altitud, monitoreo ambiental basado en UAV, rastreo de fuentes de contaminantes atmosféricos, observación meteorológica móvil y otras aplicaciones donde el bajo peso y la integración compacta son fundamentales.