Recherche sur l'influence des rotors de drones sur les résultats de mesure d'un anémomètre ultrasonique 2D

Article technique | Technologie de mesure du vent par ultrasons Hongyu

Introduction

La technologie de traçage des sources de pollution atmosphérique par drones a connu un développement rapide ces dernières années [1]. De nombreuses recherches à travers le monde combinent des drones avec des équipements de détection de polluants atmosphériques pour identifier et tracer les sources de pollution [2]. Lors du traçage des sources de pollution par drones, une méthode relativement simple pour anticiper la direction et la vitesse de dispersion des polluants consiste à équiper le drone d'un capteur de vitesse et de direction du vent et à mesurer les variations du champ de vent atmosphérique près du sol.

Les méthodes traditionnelles de mesure des champs de vent atmosphériques à basse altitude reposent principalement sur l'utilisation de tours météorologiques ou de mâts anémométriques [3–5]. Ces structures, lourdes et nécessitant une installation à distance des immeubles de grande hauteur et des arbres, sont surtout adaptées à la mesure des profils de vent verticaux. De ce fait, les tours météorologiques et les mâts anémométriques présentent des limitations pour la mesure des champs de vent horizontaux près du sol [6–7]. En 1992, Holland et al. ont été les premiers à utiliser un drone à voilure fixe équipé d'un tube de Pitot pour mesurer les champs de vent en haute altitude. Cependant, en raison des caractéristiques de vol des drones à voilure fixe, cette méthode s'est avérée principalement limitée aux mesures de vent horizontal.

Comparativement aux drones à voilure fixe, les drones multirotors peuvent monter et descendre verticalement et rester en vol stationnaire. Équipés d'un anémomètre, ils peuvent non seulement mesurer les champs de vent horizontaux, mais aussi analyser les variations verticales de ces champs. Jiang Ming et al. [9] ont utilisé un drone multirotor équipé d'un anémomètre ultrasonique 2D pour effectuer des mesures de vent à basse altitude lors d'un vol stationnaire à 40 m. Les résultats ont montré une bonne concordance entre les mesures du capteur ultrasonique embarqué et les mesures statiques effectuées depuis une tour de mesure de gradient à la même altitude, avec un écart moyen de vitesse du vent de 0,46 m/s, démontrant ainsi la faisabilité de la mesure du vent à l'aide de drones multirotors. Plusieurs études ont également porté sur les algorithmes de mesure du vent par ultrasons 2D sur drones multirotors.

Lors du vol ou du vol stationnaire d'un drone, les turbulences générées par la rotation des rotors perturbent inévitablement l'écoulement de l'air autour de l'anémomètre embarqué. Par conséquent, le choix de l'anémomètre et sa position sur le drone peuvent influencer les résultats de mesure. Dans cette étude, un capteur ultrasonique compact de vitesse et de direction du vent, développé indépendamment par Hongyu et basé sur le principe de la résonance acoustique, est installé sur un drone multirotor afin d'étudier les champs de vent près du sol. L'objectif est de déterminer l'influence des turbulences induites par les rotors sur les mesures de vitesse du vent effectuées par drone.

1. Analyse des principes de la mesure du vent par drone

Comme illustré sur la figure 1, les turbulences générées par les rotors d'un drone multirotor sont principalement dirigées vers le bas, comme indiqué par les flèches. Du fait de la position des rotors à une certaine distance du centre du drone, une zone d'écoulement d'air relativement calme existe autour de la zone centrale. Si un capteur de vent 2D compact ou miniature, dont les dimensions sont inférieures à celles de cette zone, est monté au-dessus du drone ou sous son fuselage dans cette zone, la mesure de la vitesse du vent horizontal devrait être peu affectée par les turbulences descendantes générées par les rotors.

Figure 1. Schéma du dispositif de mesure du vent embarqué sur un drone

2. Programme expérimental

2.1 Équipement expérimental

L'expérience a utilisé deux capteurs de vitesse et de direction du vent à ultrasons 2D Hongyu HY-SA256 fabriqués en interne, ainsi qu'un drone à six rotors.

2.1.1 Capteur de vitesse et de direction du vent HY-SA256

Comme illustré sur la figure 2, l'HY-SA256 est un anémomètre ultrasonique basé sur le principe de la résonance acoustique. Il est spécialement conçu pour être installé sur de petits aéronefs et des plateformes sans pilote afin de surveiller la vitesse et la direction du vent dans les régions de basse altitude.

[Figure / Image du produit : Station météorologique spécifique aux drones HY-SA256]

Figure 2. Capteur de vent ultrasonique miniature

2.1.2 Drone à six rotors

Comme illustré sur la figure 3, la plateforme expérimentale était un drone V6 à six rotors, dont les bras et les rotors avaient chacun une longueur de 400 mm. Autrement dit, la distance minimale entre chaque rotor et le centre du drone était de 200 mm. L'angle formé par les bras adjacents après déploiement était de 60°.

[Figure / Image du produit : Drone à six rotors]

Figure 3. Drone à six rotors

2.2 Conception expérimentale

2.2.1 Dispositif expérimental 1 — F1030

Comme illustré sur la figure 4, un anémomètre ultrasonique HY-SA256 a été installé au-dessus du drone et un autre sous son fuselage. La tige de support du capteur supérieur mesurait 600 mm de long. Les deux capteurs étaient positionnés sur l'axe longitudinal du drone. Le drone étant immobile au sol, les rotors ont été mis en marche sans décollage, et la vitesse du vent a été mesurée. L'intervalle d'acquisition des données était d'une seconde, et la durée totale du test était de 120 secondes.

[Figure / Image du produit : Drone à six rotors équipé du HY-S256]

Figure 4. Test de mesure du vent par drone

2.2.2 Dispositif expérimental 2

Dans la configuration 1, le capteur inférieur est resté en place tandis que la tige de support du capteur supérieur a été déplacée à 300 mm, puis à 0 mm, le capteur étant placé directement au centre du drone. La vitesse du vent a été mesurée pour chaque configuration. L'intervalle d'échantillonnage était d'une seconde et la durée totale du test de 120 secondes.

[Figure / Image du produit : configuration de la tige de support de 300 mm]

[Figure / Image du produit : configuration de la tige de support de 0 mm]

2.2.3 Dispositif expérimental 3

Dans la configuration décrite dans le schéma 1, le capteur supérieur restait fixe. Le capteur inférieur était d'abord placé au sol directement sous le centre du drone, puis déplacé au sol sous le bord du rotor, et enfin placé au sol directement sous le point médian entre deux rotors adjacents. Le drone restait au sol pendant le fonctionnement des rotors, et la vitesse du vent était mesurée à chacun des trois emplacements. L'intervalle de rafraîchissement des données était d'une seconde, pour une durée totale de test de 120 secondes.

[Figure / Image du produit : Comparaison en trois positions]

2.2.4 Dispositif expérimental 4

En utilisant la configuration de capteurs décrite dans le dispositif 1, le drone a été maintenu en vol stationnaire à des altitudes de 60 m et 100 m au-dessus du sol pour mesurer la vitesse du vent. Les données ont été actualisées toutes les secondes, pour une durée totale de test de 120 secondes.

[Figure / Image du produit : Mesure en vol stationnaire par drone à haute altitude]

Figure 5. Mesure du vent pendant le vol stationnaire du drone

3. Analyse des résultats expérimentaux

3.1 Résultats de la configuration 1

[Figure / Image du produit : Résultats des données de la configuration 1]

Figure 6. Résultats de la configuration 1

Comme le montre la figure 6, les données de vitesse du vent mesurées par les deux capteurs montés au-dessus et en dessous du drone étaient presque identiques.

3.2 Résultats de la configuration 2

[Figure / Image du produit : Résultats des données de la configuration 2]

Figure 7. Résultats de la configuration 2

Les figures 7(a) et 7(b) ne montrent aucune différence significative entre les vitesses de vent mesurées au-dessus et en dessous du drone. Cela indique que, dans la zone de calme autour du centre du drone, les mesures de vitesse du vent ne sont pas significativement affectées par la longueur de la tige de support du capteur.

3.3 Résultats de la configuration 3

[Figure / Image du produit : Résultats des données de la configuration 3]

Figure 8. Résultats de la configuration 3

Comme le montre la figure 8, parmi les quatre conditions de mesure a/b/c/d de la configuration 3, seule la mesure de la vitesse du vent prise directement sous le centre du drone n'a pas été affectée par la rotation du rotor.

3.4 Résultats de la configuration 4

[Figure / Image du produit : Résultats des données de la configuration 4]

Figure 9. Résultats de la configuration 4

Comme le montre la figure 9, il n'y avait pas de différence significative entre les vitesses du vent mesurées par les deux capteurs lorsque le drone planait à 60 m et 100 m.

4. Conclusion

Un drone multirotor présente une zone d'écoulement d'air relativement calme autour de son centre. Lorsqu'un capteur de vent miniature (dont les dimensions sont inférieures à celles de cette zone) est installé dans cette zone pour des mesures en vol stationnaire, les résultats sont largement insensibles aux turbulences descendantes générées par les rotors. De plus, la vitesse du vent mesurée dépend peu de la longueur de la tige de support.

Références

[1] Liu, K. Conception et mise en œuvre d'un système de visualisation basé sur un drone pour la recherche de sources de pollution atmosphérique [J]. Electromechanical Information, 2021(20): 38–40.

[2] Qu, YW, Wang, TJ, Yuan, C., et al. Progrès de la recherche sur la détection et le traçage des sources de particules fines atmosphériques et de pollution à l'ozone à l'aide de drones [J]. Environmental Science, 2023, 44(12): 6598–6609.

[3] Huang, BC Principes et applications de l'analyse de la résistance au vent structurelle [M]. Shanghai : Tongji University Press, 2001 : 47–49.

[4] Li, ZN, Yu, M., Wu, HH, et al. Étude de corrélation des champs de vent mesurés et des pressions du vent pour un bâtiment modèle de faible hauteur [J]. Journal de l'Université du Hunan (Sciences naturelles), 2016, 43(5): 70–78.

[5] Huang, B., Li, ZN, Zhao, ZF, et al. Vent sans impuretés près du sol et sable entraîné par le vent des centrales photovoltaïques dans une zone désertique [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.

[6] Li, ZN, Wu, WX, Wang, ZF Étude expérimentale des caractéristiques du champ de vent près du sol dans la banlieue de Pékin [J]. Journal of Building Structures, 2013, 34(9): 82–90.

[7] Hu, SY, Li, QS Mesure sur le terrain des charges de vent sur les bâtiments de faible hauteur (I) : Caractéristiques du champ de vent de la couche limite près du sol lors d'un typhon touchant terre [J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(2) : 77–84.

[8] Holland, GJ, McGeer, T., Youngren, H. Aérosondes autonomes pour des sondages atmosphériques économiques partout dans le globe [J]. Bulletin de l'American Meteorological Society, 1998, 73.

[9] Jiang, M., Shi, J., Li, JQ, et al. Étude expérimentale de capteurs de vent ultrasoniques 2D montés sur un drone multirotor [J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2021, 40(5): 88–94.

Contexte du produit et de l'application

Le HY-SA256 est un capteur ultrasonique 2D compact de vitesse et de direction du vent, destiné aux petits aéronefs, aux drones et aux plateformes sans pilote. Son format compact (50 mm × 50 mm), son poids de 56 g, sa sortie numérique RS485 et sa large plage de températures de fonctionnement le rendent idéal pour les mesures atmosphériques à basse altitude, la surveillance environnementale par drone, la recherche de sources de pollution atmosphérique, l'observation météorologique mobile et d'autres applications où la légèreté et la compacité sont essentielles.