Ricerca sull'influenza dei rotori dei droni sui risultati di misurazione di un anemometro ultrasonico 2D

Articolo tecnico | Tecnologia di misurazione del vento a ultrasuoni Hongyu

Introduzione

Negli ultimi anni, la tecnologia di tracciamento delle fonti di inquinamento atmosferico basata su UAV si è sviluppata rapidamente [1]. Un numero crescente di ricerche a livello mondiale ha combinato veicoli aerei senza pilota con apparecchiature di rilevamento dell'inquinamento atmosferico per identificare e tracciare le fonti di inquinamento [2]. Durante il tracciamento delle fonti di inquinamento basato su UAV, un modo relativamente semplice per prevedere la direzione e la velocità di dispersione dell'inquinante è quello di equipaggiare l'UAV con un sensore di velocità e direzione del vento e misurare i cambiamenti nel campo del vento atmosferico vicino al suolo.

I metodi tradizionali per la misurazione dei campi di vento atmosferico a bassa quota si basano principalmente su torri meteorologiche o pali del vento [3–5]. Queste strutture sono pesanti, devono essere installate lontano da edifici alti e alberi e sono principalmente adatte alla misurazione dei profili di vento verticali. Di conseguenza, le torri meteorologiche e i pali del vento presentano limitazioni quando si misurano i campi di vento orizzontali vicino al suolo [6–7]. Nel 1992, Holland et al. hanno utilizzato per la prima volta un UAV ad ala fissa dotato di tubo di Pitot per misurare i campi di vento ad alta quota. Tuttavia, a causa delle caratteristiche di volo degli UAV ad ala fissa, il metodo è stato limitato principalmente alle misurazioni del vento orizzontale.

Rispetto ai droni ad ala fissa, i droni multirotore possono salire e scendere verticalmente e rimanere in volo stazionario. Se dotati di un sensore del vento, possono non solo misurare i campi di vento orizzontali, ma anche supportare l'analisi delle variazioni del campo di vento verticale. Jiang Ming et al. [9] hanno utilizzato un drone multirotore dotato di un sensore del vento a ultrasuoni 2D per eseguire misurazioni del vento a bassa quota durante un volo stazionario di 40 m. I risultati hanno mostrato una buona concordanza tra il sensore a ultrasuoni montato sul drone e le misurazioni statiche da una torre di gradiente alla stessa altitudine, con una deviazione media della velocità del vento di 0,46 m/s, dimostrando la fattibilità della misurazione del vento utilizzando droni multirotore. Numerosi studi hanno anche esaminato algoritmi per la misurazione del vento a ultrasuoni 2D su droni multirotore.

Durante il volo o la fase di hovering di un UAV, la turbolenza generata dai rotori in rotazione disturba inevitabilmente il flusso d'aria attorno all'anemometro di bordo. Pertanto, sia la scelta dell'anemometro che la sua posizione di montaggio sull'UAV possono influenzare i risultati della misurazione. In questo studio, un sensore compatto a ultrasuoni per la velocità e la direzione del vento, sviluppato autonomamente da Hongyu sulla base del principio della risonanza acustica, è stato montato su un UAV multirotore per studiare i campi di vento in prossimità del suolo. L'obiettivo è determinare come la turbolenza indotta dai rotori influenzi le misurazioni della velocità del vento effettuate con un UAV.

1. Analisi dei principi della misurazione del vento tramite droni

Come illustrato nella Figura 1, la turbolenza generata dai rotori di un UAV multirotore è diretta prevalentemente verso il basso, come indicato dalle frecce. Poiché i rotori si trovano a una certa distanza dal centro dell'UAV, attorno all'area centrale si crea una regione di flusso d'aria relativamente tranquilla. Se un sensore del vento 2D compatto o miniaturizzato, le cui dimensioni sono inferiori a questa regione di quiete, viene montato sopra l'UAV o sotto la sua fusoliera all'interno di questa regione, si prevede che la misurazione della velocità del vento orizzontale non sia influenzata in modo significativo dalla turbolenza discendente generata dai rotori.

Figura 1. Schema di misurazione del vento tramite drone.

2. Programma sperimentale

2.1 Apparecchiature sperimentali

L'esperimento ha utilizzato due sensori a ultrasuoni bidimensionali Hongyu HY-SA256 per la misurazione della velocità e della direzione del vento, prodotti internamente, insieme a un drone a sei rotori.

2.1.1 Sensore di velocità e direzione del vento HY-SA256

Come illustrato nella Figura 2, l'HY-SA256 è un anemometro a ultrasuoni basato sul principio di misurazione della risonanza acustica. È specificamente progettato per l'installazione su piccoli velivoli e piattaforme senza pilota per monitorare la velocità e la direzione del vento nelle regioni a bassa quota.

[Figura / Immagine del prodotto: Stazione meteorologica HY-SA256 specifica per droni]

Figura 2. Sensore anemometrico a ultrasuoni in miniatura

2.1.2 UAV a sei rotori

Come illustrato nella Figura 3, la piattaforma sperimentale era un UAV V6 a sei rotori con una lunghezza dei bracci di 400 mm e un diametro dei rotori di 400 mm. In altre parole, la distanza minima tra ciascun rotore e il centro dell'UAV era di 200 mm. L'angolo compreso tra i bracci adiacenti dopo il dispiegamento era di 60°.

[Figura / Immagine del prodotto: UAV a sei rotori]

Figura 3. UAV a sei rotori

2.2 Progettazione sperimentale

2.2.1 Configurazione sperimentale 1 — F1030

Come illustrato nella Figura 4, un sensore anemometrico a ultrasuoni HY-SA256 è stato installato sopra il drone e un altro sotto la fusoliera. L'asta di supporto per il sensore superiore era lunga 600 mm. Entrambi i sensori erano posizionati lungo l'asse centrale del drone. Con il drone fermo a terra, i rotori sono stati azionati senza decollare e la velocità del vento è stata misurata. L'intervallo di aggiornamento dei dati era di 1 secondo e la durata totale del test era di 120 secondi.

[Figura / Immagine del prodotto: UAV a sei rotori equipaggiato con HY-S256]

Figura 4. Test di misurazione del vento con UAV.

2.2.2 Configurazione sperimentale 2

Utilizzando la configurazione dei sensori descritta nella Configurazione 1, il sensore inferiore è rimasto nella sua posizione originale, mentre l'asta di supporto del sensore superiore è stata spostata a 300 mm e poi a 0 mm, con il sensore posizionato direttamente al centro del drone. La velocità del vento è stata misurata in ciascuna configurazione. L'intervallo di campionamento era di 1 secondo e la durata totale del test era di 120 secondi.

[Figura / Immagine del prodotto: configurazione con asta di supporto da 300 mm]

[Figura / Immagine del prodotto: configurazione con asta di supporto da 0 mm]

2.2.3 Configurazione sperimentale 3

Utilizzando la configurazione descritta nella Configurazione 1, il sensore superiore è rimasto fisso. Il sensore inferiore è stato inizialmente posizionato a terra direttamente sotto il centro del drone, poi spostato a terra sotto il bordo del rotore e infine posizionato a terra direttamente sotto il punto medio tra due rotori adiacenti. Il drone è rimasto a terra mentre i rotori erano in funzione e la velocità del vento è stata misurata in ciascuna delle tre posizioni. L'intervallo di aggiornamento dei dati era di 1 secondo, per una durata totale del test di 120 secondi.

[Figura / Immagine del prodotto: Confronto in tre posizioni]

2.2.4 Configurazione sperimentale 4

Utilizzando la configurazione dei sensori descritta nella Configurazione 1, il drone è stato fatto stazionare a un'altezza di 60 m e 100 m dal suolo per misurare la velocità del vento. I dati sono stati aggiornati ogni secondo, per una durata totale del test di 120 secondi.

[Figura / Immagine del prodotto: Misurazione del volo stazionario di un UAV ad alta quota]

Figura 5. Misurazione del vento durante il volo stazionario del drone.

3. Analisi dei risultati sperimentali

3.1 Risultati della configurazione 1

[Figura / Immagine del prodotto: Risultati dei dati della configurazione 1]

Figura 6. Risultati della configurazione 1

Come mostrato nella Figura 6, i dati relativi alla velocità del vento misurati dai due sensori montati sopra e sotto il drone erano pressoché identici.

3.2 Risultati della configurazione 2

[Figura / Immagine del prodotto: Risultati dei dati della configurazione 2]

Figura 7. Risultati della configurazione 2

Le figure 7(a) e 7(b) non mostrano differenze significative tra le velocità del vento misurate sopra e sotto il drone. Ciò indica che, all'interno della regione di quiete attorno al centro del drone, le misurazioni della velocità del vento non sono influenzate in modo significativo dalla lunghezza dell'asta di supporto del sensore.

3.3 Risultati della configurazione 3

[Figura / Immagine del prodotto: Risultati dei dati della configurazione 3]

Figura 8. Risultati della configurazione 3

Come illustrato nella Figura 8, tra le quattro condizioni di misurazione a/b/c/d nella Configurazione 3, solo la misurazione della velocità del vento effettuata direttamente sotto il centro del drone non è stata influenzata dalla rotazione del rotore.

3.4 Risultati della configurazione 4

[Figura / Immagine del prodotto: Risultati dei dati della configurazione 4]

Figura 9. Risultati della configurazione 4

Come illustrato nella Figura 9, non si è riscontrata alcuna differenza significativa tra le velocità del vento misurate dai due sensori mentre il drone si trovava in volo stazionario a 60 m e a 100 m di altezza.

4. Conclusion

Un UAV multirotore presenta una regione di flusso d'aria relativamente tranquilla attorno al suo centro. Quando un sensore del vento miniaturizzato (con dimensioni inferiori a questa regione di quiete) viene montato all'interno di quest'area per effettuare misurazioni in volo stazionario, i risultati delle misurazioni non sono sostanzialmente influenzati dalla turbolenza discendente generata dai rotori. Inoltre, la velocità del vento misurata non dipende in modo significativo dalla lunghezza dell'asta di supporto.

Riferimenti

[1] Liu, K. Progettazione e implementazione di un sistema di visualizzazione basato su UAV per il tracciamento delle fonti di inquinamento atmosferico [J]. Informazioni elettromeccaniche, 2021(20): 38–40.

[2] Qu, YW, Wang, TJ, Yuan, C., et al. Progressi della ricerca sul rilevamento e il tracciamento della fonte di particolato fine atmosferico e inquinamento da ozono basati su UAV [J]. Scienze ambientali, 2023, 44(12): 6598–6609.

[3] Huang, BC Principi e applicazioni dell'analisi della resistenza al vento strutturale [M]. Shanghai: Tongji University Press, 2001: 47–49.

[4] Li, ZN, Yu, M., Wu, HH, et al. Studio di correlazione dei campi di vento misurati e delle pressioni del vento per un edificio modello a bassa altezza [J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences), 2016, 43(5): 70–78.

[5] Huang, B., Li, ZN, Zhao, ZF, et al. Vento privo di impurità vicino al suolo e sabbia trasportata dal vento delle centrali fotovoltaiche in un'area desertica [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.

[6] Li, ZN, Wu, WX, Wang, ZF Studio sperimentale delle caratteristiche del campo del vento vicino al suolo nei sobborghi di Pechino [J]. Journal of Building Structures, 2013, 34(9): 82–90.

[7] Hu, SY, Li, QS Misurazione sul campo dei carichi del vento sugli edifici bassi (I): Caratteristiche del campo del vento dello strato limite vicino al suolo durante un tifone che si abbatte sulla terraferma [J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(2): 77–84.

[8] Holland, GJ, McGeer, T., Youngren, H. Aerosonde autonome per sondaggi atmosferici economici in qualsiasi punto del globo [J]. Bollettino della Società Meteorologica Americana, 1998, 73.

[9] Jiang, M., Shi, J., Li, JQ, et al. Studio sperimentale di sensori di vento ultrasonici 2D montati su UAV multirotore [J]. Tecnologia di misurazione elettronica straniera, 2021, 40(5): 88–94.

Contesto del prodotto e dell'applicazione

L'HY-SA256 si posiziona come un sensore a ultrasuoni 2D compatto per la velocità e la direzione del vento, ideale per piccoli velivoli, droni e piattaforme senza pilota. Le sue dimensioni compatte di 50 mm × 50 mm, il peso di 56 g, l'uscita digitale RS485 e l'ampio intervallo di temperatura operativa lo rendono adatto per misurazioni atmosferiche a bassa quota, monitoraggio ambientale tramite droni, tracciamento delle fonti di inquinamento atmosferico, osservazioni meteorologiche mobili e altre applicazioni in cui peso ridotto e integrazione compatta sono fondamentali.