2次元超音波風速計の測定結果に対する無人航空機ローターの影響に関する研究

技術記事｜洪宇超音波風速測定技術

導入

近年、UAV（無人航空機）を用いた大気汚染物質発生源追跡技術が急速に発展している[1]。世界中で、無人航空機と大気汚染物質検出装置を組み合わせて汚染源を特定・追跡する研究が増えている[2]。UAVを用いた汚染物質発生源追跡において、汚染物質の拡散方向と速度を予測する比較的簡単な方法は、UAVに風速・風向センサーを搭載し、地表付近の大気風場の変化を測定することである。

低高度の大気風場を測定する従来の方法は、主に気象観測塔や風速計に依存している[3-5]。これらの構造物は重く、高層ビルや樹木から離れた場所に設置する必要があり、主に垂直風プロファイルの測定に適している。そのため、気象観測塔や風速計は、地上付近の水平風場を測定する際には限界がある[6-7]。1992年、Hollandらは、ピトー管を装備した固定翼UAVを使用して高高度の風場を初めて測定した。しかし、固定翼UAVの飛行特性のため、この方法は主に水平風の測定に限定されていた。

固定翼UAVと比較して、マルチローターUAVは垂直に上昇および下降し、その場でホバリングすることができます。風速センサーを搭載すると、水平風速場を測定するだけでなく、垂直風速場の変化の分析もサポートできます。Jiang Mingら[9]は、2D超音波風速センサーを搭載したマルチローターUAVを使用して、40mのホバリング中に低高度の風速測定を行いました。結果は、UAVに搭載された超音波センサーと同一高度の勾配タワーからの静的測定値との間で良好な一致を示し、平均風速偏差は0.46m/sであり、マルチローターUAVを使用した風速測定の実現可能性を示しました。また、多くの研究がマルチローターUAVでの2D超音波風速測定のアルゴリズムを調査しています。

UAVの飛行中やホバリング中、回転するローターによって発生する乱流は、搭載された風速計周辺の気流を必然的に乱します。そのため、風速計の種類とUAVへの搭載位置の両方が測定結果に影響を与える可能性があります。本研究では、音響共鳴の原理に基づいてHongyuが独自に開発した小型超音波風速・風向センサーをマルチローターUAVに搭載し、地上付近の風速場を調査しました。目的は、ローターによって発生する乱流がUAVによる風速測定にどのように影響するかを明らかにすることです。

1. UAVを用いた風速測定の原理分析

図1に示すように、マルチローターUAVのローターによって発生する乱流は、矢印で示されているように、主に下向きに向かいます。ローターはUAVの中心から一定の距離に位置しているため、中心付近には比較的静穏な気流領域が存在します。この静穏領域よりも小さい寸法の小型または超小型の2次元風速計を、この領域内のUAVの上部または下部に取り付けると、水平方向の風速測定値は、ローターによって発生する下向きの乱流の影響をほとんど受けないと考えられます。

図1. UAV搭載型風速測定装置の概略図

2. 実験プログラム

2.1 実験装置

この実験では、自社製造のHongyu HY-SA256 2D超音波風速・風向センサー2個と、6ローターの無人航空機（UAV）を使用した。

2.1.1 HY-SA256 風速・風向センサー

図2に示すように、HY-SA256は音響共鳴測定原理に基づいた超音波風速計です。小型航空機や無人プラットフォームへの搭載を想定して設計されており、低高度域における風速と風向の監視に用いられます。

【図／製品画像：HY-SA256 UAV専用気象観測装置】

図2. 小型超音波風速計

2.1.2 6ローターUAV

図3に示すように、実験プラットフォームはアーム長400mm、ローター直径400mmのV6型6ローターUAVであった。つまり、各ローターからUAV中心までの最小距離は200mmであった。展開後の隣接するアーム間の角度は60°であった。

【図／製品画像：6ローター式無人航空機】

図3. 6ローター式無人航空機

2.2 実験計画

2.2.1 実験装置1 — F1030

図4に示すように、HY-SA256超音波風速計をUAVの上部と下部にそれぞれ1つずつ設置した。上部センサーの支持棒の長さは600mmである。両センサーはUAVの中心線に沿って配置した。UAVを地上に静止させた状態で、離陸せずにローターを回転させ、風速を測定した。データ更新間隔は1秒、試験時間は合計120秒であった。

【図／製品画像：HY-S256を搭載した6ローター式無人航空機】

図4. UAVによる風速測定テスト

2.2.2 実験装置 2

セットアップ1のセンサー配置を使用し、下部センサーは元の位置のまま、上部センサーの支持棒を300mm、次に0mmに変更し、センサーをUAVの中心に直接配置した。各構成で風速を測定した。サンプリング間隔は1秒、試験時間は合計120秒であった。

【図／製品イメージ：300mmサポートロッド構成】

【図／製品画像：0mmサポートロッド構成】

2.2.3 実験装置 3

セットアップ1の配置に従い、上部センサーは固定した。下部センサーは、まずUAVの中心直下の地面に設置し、次にローターの端の真下の地面に移動させ、最後に隣接する2つのローターの中間点の真下の地面に設置した。ローターが作動している間、UAVは地面に留まり、3つの位置それぞれで風速を測定した。データ更新間隔は1秒で、テストの総時間は120秒であった。

【図／製品画像：3つの位置での比較】

2.2.4 実験装置 4

セットアップ1のセンサー配置を用いて、UAVを地上60mと100mの高さでホバリングさせ、風速を測定した。データは1秒ごとに更新され、テストの総時間は120秒であった。

【図／製品画像：高高度無人航空機のホバリング測定】

図5. UAVホバリング中の風速測定

3．実験結果の分析

3.1 セットアップ1の結果

【図／製品画像：セットアップ1のデータ結果】

図6．セットアップ1の結果

図6に示すように、UAVの上部と下部に設置された2つのセンサーで測定された風速データはほぼ同一であった。

3.2 セットアップ2の結果

【図／製品画像：セットアップ2のデータ結果】

図7．セットアップ2の結果

図7(a)と図7(b)は、UAVの上方と下方で測定された風速に大きな差がないことを示している。これは、UAV中心付近の静止領域内では、風速測定値がセンサー支持棒の長さに大きく影響されないことを示している。

3.3 セットアップ3の結果

【図／製品画像：セットアップ3のデータ結果】

図8. セットアップ3の結果

図8に示すように、セットアップ3の4つの測定条件a/b/c/dのうち、UAVの中心直下で測定された風速のみがローターの回転の影響を受けなかった。

3.4 セットアップ4の結果

【図／製品画像：セットアップ4のデータ結果】

図9. セットアップ4の結果

図9に示すように、UAVが60mと100mの高さでホバリングしている間、2つのセンサーで測定された風速に有意な差はなかった。

4. 結論

マルチローター型無人航空機（UAV）は、機体中心付近に比較的安定した気流領域を持つ。この領域内に小型風速計（この安定領域よりも小さい寸法）を取り付けて空中ホバリング時の風速を測定する場合、ローターによって発生する下方への乱流の影響はほとんど受けない。さらに、測定される風速は支持棒の長さに大きく依存しない。

参考文献

[1] Liu, K. 大気汚染源追跡のためのUAVベースの可視化システムの設計と実装 [J]. 電気機械情報, 2021(20): 38–40.

[2] Qu, YW、Wang, TJ、Yuan, C.、他。UAVを用いた大気中の微粒子状物質およびオゾン汚染の検出と発生源追跡に関する研究の進捗状況[J]。環境科学、2023、44(12): 6598–6609。

[3] Huang, BC 構造物の耐風解析の原理と応用 [M]. 上海: 同済大学出版局, 2001: 47–49.

[4] Li, ZN、Yu, M.、Wu, HH、他。低層モデル建物の測定風場と風圧の相関研究[J]。湖南大学学報（自然科学版）、2016、43(5):70–78。

[5] Huang, B., Li, ZN, Zhao, ZF, et al. 砂漠地帯の太陽光発電所における地表付近の不純物のない風と風によって運ばれる砂 [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.

[6] Li, ZN、Wu, WX、Wang, ZF 北京郊外における地表付近の風場特性の実験的研究 [J]. 建築構造ジャーナル、2013、34(9): 82–90。

[7] Hu, SY、Li, QS 低層建築物に対する風荷重の現場測定（I）：上陸台風時の地表境界層風場の特性 [J]. 中国土木工程ジャーナル、2012、45(2): 77–84。

[8] Holland, GJ、McGeer, T.、Youngren, H. 地球上のどこでも経済的な大気観測を行うための自律型エアロゾンデ [J]. アメリカ気象学会紀要、1998、73。

[9] Jiang, M., Shi, J., Li, JQ, et al. マルチローターUAV搭載2D超音波風速センサーの実験的研究[J]. 外国電子計測技術, 2021, 40(5): 88–94.

製品およびアプリケーションの背景

HY-SA256は、小型航空機、UAV（無人航空機）、および無人プラットフォーム向けのコンパクトな2次元超音波風速・風向センサーです。50mm×50mmというコンパクトな形状、56gという軽量性、RS485デジタル出力、そして広い動作温度範囲を備えているため、低高度大気測定、UAVを用いた環境モニタリング、大気汚染物質発生源の追跡、移動式気象観測など、軽量性とコンパクトな統合が重要な様々な用途に適しています。