무인항공기 로터가 2차원 초음파 풍속계 측정 결과에 미치는 영향에 대한 연구

기술 자료 | 홍위 초음파 풍속 측정 기술

소개

최근 몇 년 동안 UAV 기반 대기 오염원 추적 기술이 빠르게 발전해 왔다[1]. 전 세계적으로 점점 더 많은 연구가 무인 항공기와 대기 오염원 탐지 장비를 결합하여 오염원을 식별하고 추적하고 있다[2]. UAV 기반 오염원 추적에서 오염물질 확산의 방향과 속도를 예측하는 비교적 간단한 방법은 UAV에 풍속 및 풍향 센서를 장착하고 지표면 부근의 대기 풍장 변화를 측정하는 것이다.

저고도 대기 풍장 측정의 전통적인 방법은 주로 기상탑이나 풍향계를 이용한다[3–5]. 이러한 구조물은 무겁고 고층 건물이나 나무에서 멀리 설치해야 하며, 주로 수직 풍향 측정에 적합하다. 따라서 기상탑과 풍향계는 지면 근처의 수평 풍장 측정에는 한계가 있다[6–7]. 1992년 Holland 등은 피토관을 장착한 고정익 무인항공기(UAV)를 이용하여 고고도 풍장을 측정하는 방법을 처음으로 제시했다. 그러나 고정익 UAV의 비행 특성 때문에 이 방법은 주로 수평 풍향 측정에만 국한되었다.

고정익 UAV와 비교하여 멀티로터 UAV는 수직 상승 및 하강이 가능하고 제자리에서 정지 비행할 수 있습니다. 풍향 센서를 장착하면 수평 풍장 측정뿐만 아니라 수직 풍장 변화 분석도 지원할 수 있습니다. Jiang Ming 등[9]은 2D 초음파 풍향 센서가 장착된 멀티로터 UAV를 사용하여 40m 고도에서 정지 비행하며 저고도 풍속을 측정했습니다. 그 결과, UAV에 장착된 초음파 센서로 측정한 값과 동일 고도의 경사계에서 측정한 정적 측정값이 평균 풍속 편차 0.46m/s로 잘 일치하는 것을 확인하여 멀티로터 UAV를 이용한 풍속 측정의 실현 가능성을 입증했습니다. 또한 여러 연구에서 멀티로터 UAV를 이용한 2D 초음파 풍속 측정 알고리즘에 대해 조사했습니다.

무인항공기(UAV) 비행 또는 정지비행 중 회전하는 로터에서 발생하는 난류는 탑재된 풍속계 주변의 기류를 필연적으로 교란시킵니다. 따라서 풍속계의 종류와 UAV에 장착하는 위치 모두 측정 결과에 영향을 미칠 수 있습니다. 본 연구에서는 홍위(Hongyu)에서 자체 개발한 음향 공명 원리를 기반으로 한 소형 초음파 풍속 및 풍향 센서를 멀티로터 UAV에 장착하여 지면 부근의 풍장을 조사했습니다. 연구 목적은 로터 회전으로 인한 난류가 UAV 기반 풍속 측정에 미치는 영향을 규명하는 것입니다.

1. 무인항공기 기반 풍속 측정 원리 분석

그림 1에서 볼 수 있듯이, 멀티로터 UAV의 로터에서 발생하는 난류는 화살표로 표시된 것처럼 주로 아래쪽으로 향합니다. 로터는 UAV 중심에서 일정 거리 떨어져 있기 때문에 중심 주변에는 비교적 정체된 기류 영역이 존재합니다. 이 정체 영역보다 크기가 작은 소형 2D 풍속 센서를 UAV 상단이나 하단, 즉 이 정체 영역 내에 장착하면 수평 풍속 측정은 로터에서 발생하는 하향 난류의 영향을 거의 받지 않을 것으로 예상됩니다.

그림 1. 무인 항공기에 탑재된 풍속 측정 장치의 개략도

2. 실험 프로그램

2.1 실험 장비

이번 실험에서는 자체 제작한 홍위 HY-SA256 2D 초음파 풍속 및 풍향 센서 두 개와 6개 로터를 장착한 무인 항공기를 사용했습니다.

2.1.1 HY-SA256 풍속 및 풍향 센서

그림 2에서 보는 바와 같이, HY-SA256은 음향 공명 측정 원리를 기반으로 하는 초음파 풍속계입니다. 이 장치는 소형 항공기 및 무인 플랫폼에 설치하여 저고도 지역의 풍속 및 풍향을 측정하도록 특별히 설계되었습니다.

[그림/제품 이미지: HY-SA256 무인항공기 전용 기상 관측 장비]

그림 2. 소형 초음파 풍향 센서

2.1.2 6개 로터 무인 항공기

그림 3에서 보는 바와 같이, 실험 플랫폼은 암 길이 400mm, 로터 직경 400mm의 V6 6로터 UAV였다. 즉, 각 로터에서 UAV 중심까지의 최소 거리는 200mm였다. 전개 후 인접한 암 사이의 포함 각도는 60°였다.

[그림/제품 이미지: 6축 로터 무인 항공기]

그림 3. 6개 로터를 장착한 무인 항공기

2.2 실험 설계

2.2.1 실험 장치 1 — F1030

그림 4에서와 같이, HY-SA256 초음파 풍속 센서 하나는 UAV 상단에, 다른 하나는 기체 하부에 설치되었다. 상단 센서의 지지대는 600mm 길이였다. 두 센서 모두 UAV의 중심선을 따라 배치되었다. UAV는 지상에 정지된 상태에서 이륙하지 않고 로터를 작동시켜 풍속을 측정하였다. 데이터 갱신 간격은 1초였으며, 총 측정 시간은 120초였다.

[그림/제품 이미지: HY-S256을 장착한 6축 로터 무인 항공기]

그림 4. UAV 풍속 측정 시험

2.2.2 실험 장치 2

설정 1의 센서 배치에서, 하단 센서는 원래 위치에 그대로 두고 상단 센서의 지지대를 300mm로, 그리고 다시 0mm로 변경하면서 센서를 UAV 중앙에 직접 배치했습니다. 각 구성에서 풍속을 측정했습니다. 샘플링 간격은 1초였고, 총 실험 시간은 120초였습니다.

[그림/제품 이미지: 300mm 지지대 구성]

[그림/제품 이미지: 0mm 지지대 구성]

2.2.3 실험 장치 3

설정 1에서와 같이 상단 센서는 고정된 상태로 유지했습니다. 하단 센서는 먼저 UAV 중심 바로 아래 지면에 설치한 다음, 로터 가장자리 아래 지면으로 이동시키고, 마지막으로 인접한 두 로터의 중간 지점 바로 아래 지면에 설치했습니다. 로터가 작동하는 동안 UAV는 지면에 고정된 상태를 유지했으며, 세 위치 각각에서 풍속을 측정했습니다. 데이터 갱신 간격은 1초였으며, 총 테스트 시간은 120초였습니다.

[그림/제품 이미지: 세 가지 자세 비교]

2.2.4 실험 장치 4

설정 1의 센서 배치를 사용하여 UAV를 지상 60m 및 100m 높이에서 호버링시켜 풍속을 측정했습니다. 데이터는 1초마다 갱신되었으며, 총 테스트 시간은 120초였습니다.

[그림/제품 이미지: 고고도 무인항공기 호버링 측정]

그림 5. 무인 항공기 호버링 중 풍속 측정

3. 실험 결과 분석

3.1 설정 1의 결과

[그림/제품 이미지: 설정 1 데이터 결과]

그림 6. 설정 1의 결과

그림 6에서 볼 수 있듯이, UAV의 위아래에 장착된 두 센서로 측정한 풍속 데이터는 거의 동일했습니다.

3.2 설정 2의 결과

[그림/제품 이미지: 설정 2 데이터 결과]

그림 7. 설정 2의 결과

그림 7(a)와 7(b)는 UAV 위와 아래에서 측정된 풍속에 유의미한 차이가 없음을 보여줍니다. 이는 UAV 중심 주변의 정지 영역 내에서는 풍속 측정이 센서 지지대의 길이에 의해 크게 영향을 받지 않음을 나타냅니다.

3.3 설정 3의 결과

[그림/제품 이미지: 설정 3 데이터 결과]

그림 8. 설정 3의 결과

그림 8에서 볼 수 있듯이, 설정 3의 네 가지 측정 조건 a/b/c/d 중에서 UAV 중심 바로 아래에서 측정한 풍속만 로터 회전의 영향을 받지 않았습니다.

3.4 설정 4의 결과

[그림/제품 이미지: 설정 4 데이터 결과]

그림 9. 설정 4의 결과

그림 9에서 볼 수 있듯이, UAV가 60m와 100m 고도에서 호버링하는 동안 두 센서로 측정된 풍속에는 유의미한 차이가 없었습니다.

4. 결론

멀티로터 무인항공기(UAV)는 중심부 주변에 비교적 안정적인 기류 영역을 가지고 있습니다. 이 안정적인 영역보다 작은 크기의 소형 풍속 센서를 이 영역 내에 장착하여 공중 정지 상태에서 풍속을 측정하면, 로터에서 발생하는 하강 난류의 영향을 거의 받지 않습니다. 또한, 측정된 풍속은 지지대의 길이에 따라 크게 달라지지 않습니다.

참고 자료

[1] Liu, K. 대기 오염원 추적을 위한 UAV 기반 시각화 시스템의 설계 및 구현 [J]. 전기기계정보, 2021(20): 38–40.

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[3] Huang, BC 구조 풍압 분석의 원리와 응용 [M]. 상하이: 통지대학교 출판부, 2001: 47–49.

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[9] Jiang, M., Shi, J., Li, JQ 등. 멀티로터 UAV 장착 2D 초음파 풍향 센서의 실험 연구 [J]. 해외 전자 측정 기술, 2021, 40(5): 88–94.

제품 및 애플리케이션 환경

HY-SA256은 소형 항공기, UAV 및 무인 플랫폼용 소형 2D 초음파 풍속 및 풍향 센서입니다. 50mm × 50mm의 컴팩트한 크기, 56g의 가벼운 무게, RS485 디지털 출력, 그리고 넓은 작동 온도 범위 덕분에 저고도 대기 측정, UAV 기반 환경 모니터링, 대기 오염원 추적, 이동식 기상 관측 등 경량화와 소형화가 중요한 다양한 응용 분야에 적합합니다.