Исследование влияния роторов БПЛА на результаты измерений двухмерного ультразвукового анемометра.

Техническая статья | Технология ультразвукового измерения ветра Hongyu

Введение

Технология отслеживания источников атмосферных загрязняющих веществ с помощью БПЛА в последние годы развивается быстрыми темпами [1]. Во всем мире растет число исследований, в которых беспилотные летательные аппараты сочетаются с оборудованием для обнаружения атмосферных загрязняющих веществ для идентификации и отслеживания источников загрязнения [2]. При отслеживании источников загрязнения с помощью БПЛА относительно простым способом прогнозирования направления и скорости распространения загрязняющих веществ является оснащение БПЛА датчиком скорости и направления ветра и измерение изменений в приземном атмосферном ветровом поле.

Традиционные методы измерения атмосферных ветровых полей на малых высотах в основном основаны на использовании метеорологических вышек или ветровых мачт [3–5]. Эти конструкции тяжелые, должны устанавливаться вдали от высотных зданий и деревьев и в основном подходят для измерения вертикальных профилей ветра. Следовательно, метеорологические вышки и ветровые мачты имеют ограничения при измерении горизонтальных ветровых полей вблизи земли [6–7]. В 1992 году Холланд и др. впервые использовали беспилотный летательный аппарат с неподвижным крылом, оснащенный трубкой Пито, для измерения ветровых полей на больших высотах. Однако из-за летных характеристик беспилотных летательных аппаратов с неподвижным крылом этот метод был ограничен в основном измерениями горизонтального ветра.

По сравнению с БПЛА с неподвижным крылом, многороторные БПЛА могут вертикально подниматься и опускаться, а также зависать на месте. При оснащении датчиком ветра они могут не только измерять горизонтальные поля ветра, но и поддерживать анализ вертикальных изменений поля ветра. Цзян Мин и др. [9] использовали многороторный БПЛА, оснащенный 2D ультразвуковым датчиком ветра, для проведения измерений ветра на малой высоте во время зависания на высоте 40 м. Результаты показали хорошее соответствие между ультразвуковым датчиком, установленным на БПЛА, и статическими измерениями с градиентной вышки на той же высоте, со средним отклонением скорости ветра 0,46 м/с, что демонстрирует возможность измерения ветра с помощью многороторных БПЛА. Ряд исследований также изучал алгоритмы для 2D ультразвукового измерения ветра на многороторных БПЛА.

Во время полета или зависания БПЛА турбулентность, создаваемая вращающимися роторами, неизбежно нарушает воздушный поток вокруг бортового анемометра. Поэтому как выбор анемометра, так и его положение на БПЛА могут влиять на результаты измерений. В данном исследовании компактный ультразвуковой датчик скорости и направления ветра, разработанный Хонгю на основе принципа акустического резонанса, установлен на многороторном БПЛА для исследования приземных ветровых полей. Цель состоит в том, чтобы определить, как турбулентность, создаваемая роторами, влияет на измерения скорости ветра с помощью БПЛА.

1. Анализ принципов измерения ветра с помощью БПЛА.

Как показано на рисунке 1, турбулентность, создаваемая роторами многороторного БПЛА, направлена ​​преимущественно вниз, как показано стрелками. Поскольку роторы расположены на определенном расстоянии от центра БПЛА, вокруг центральной области существует относительно спокойная зона воздушного потока. Если компактный или миниатюрный 2D-датчик ветра, размеры которого меньше этой спокойной зоны, установлен над БПЛА или под его днищем в пределах этой зоны, то ожидается, что измерение горизонтальной скорости ветра будет в значительной степени не затронуто создаваемой роторами нисходящей турбулентностью.

Рисунок 1. Схема установки для измерения ветра на БПЛА.

2. Экспериментальная программа

2.1 Экспериментальное оборудование

В эксперименте использовались два двухмерных ультразвуковых датчика скорости и направления ветра Hongyu HY-SA256 собственного производства, а также шестироторный беспилотный летательный аппарат.

2.1.1 Датчик скорости и направления ветра HY-SA256

Как показано на рисунке 2, HY-SA256 — это ультразвуковой анемометр, основанный на принципе акустического резонанса. Он специально разработан для установки на небольших летательных аппаратах и ​​беспилотных платформах для мониторинга скорости и направления ветра в низковысотных районах.

[Рисунок / Изображение продукта: Метеостанция HY-SA256, разработанная специально для БПЛА]

Рисунок 2. Миниатюрный ультразвуковой датчик ветра.

2.1.2 Беспилотный летательный аппарат с шестью роторами

Как показано на рисунке 3, экспериментальной платформой был шестироторный БПЛА V6 с длиной плеч 400 мм и диаметром ротора 400 мм. Другими словами, минимальное расстояние от каждого ротора до центра БПЛА составляло 200 мм. Угол между соседними плечами после развертывания составлял 60°.

[Рисунок / Изображение продукта: Шестироторный БПЛА]

Рисунок 3. Беспилотный летательный аппарат с шестью роторами.

2.2 Экспериментальный дизайн

2.2.1 Экспериментальная установка 1 — F1030

Как показано на рисунке 4, один ультразвуковой датчик ветра HY-SA256 был установлен над БПЛА, а другой — под фюзеляжем. Длина опорного стержня для верхнего датчика составляла 600 мм. Оба датчика были расположены вдоль центральной оси БПЛА. Когда БПЛА находился в неподвижном состоянии на земле, роторы приводились в движение без взлета, и измерялась скорость ветра. Интервал обновления данных составлял 1 секунду, а общая продолжительность теста — 120 секунд.

[Рисунок / Изображение продукта: Шестироторный БПЛА, оснащенный системой HY-S256]

Рисунок 4. Тест измерения ветра с помощью БПЛА.

2.2.2 Экспериментальная установка 2

При использовании конфигурации датчиков, описанной в Варианте 1, нижний датчик оставался в исходном положении, в то время как опорный стержень верхнего датчика изменялся сначала до 300 мм, а затем до 0 мм, при этом датчик располагался непосредственно в центре БПЛА. Скорость ветра измерялась при каждой конфигурации. Интервал дискретизации составлял 1 секунду, а общая продолжительность теста — 120 секунд.

[Рисунок / Изображение изделия: конфигурация опорного стержня 300 мм]

[Рисунок / Изображение изделия: конфигурация опорного стержня 0 мм]

2.2.3 Экспериментальная установка 3

При использовании схемы, описанной в Варианте 1, верхний датчик оставался неподвижным. Нижний датчик сначала размещали на земле непосредственно под центром БПЛА, затем перемещали на землю под кромку ротора и, наконец, размещали на земле непосредственно под серединой между двумя соседними роторами. БПЛА оставался на земле во время работы роторов, и скорость ветра измерялась в каждой из трех точек. Интервал обновления данных составлял 1 секунду, а общая продолжительность теста — 120 секунд.

[Рисунок / Изображение товара: Сравнение в трех положениях]

2.2.4 Экспериментальная установка 4

Используя схему расположения датчиков, описанную в разделе «Настройка 1», БПЛА зависал на высотах 60 и 100 метров над землей для измерения скорости ветра. Данные обновлялись каждую секунду, общая продолжительность теста составила 120 секунд.

[Рисунок / Изображение продукта: Измерения зависания высотного БПЛА]

Рисунок 5. Измерение скорости ветра во время зависания БПЛА.

3. Анализ результатов эксперимента

3.1 Результаты настройки 1

[Рисунок / Изображение продукта: Результаты обработки данных в конфигурации 1]

Рисунок 6. Результаты, полученные в ходе эксперимента 1.

Как показано на рисунке 6, данные о скорости ветра, измеренные двумя датчиками, установленными над и под БПЛА, были практически идентичны.

3.2 Результаты настройки 2

[Рисунок / Изображение продукта: Результаты обработки данных в конфигурации 2]

Рисунок 7. Результаты, полученные в ходе эксперимента 2.

На рисунках 7(a) и 7(b) не показано существенной разницы между скоростями ветра, измеренными над и под БПЛА. Это указывает на то, что в спокойной зоне вокруг центра БПЛА измерения скорости ветра не подвержены существенному влиянию длины опорного стержня датчика.

3.3 Результаты настройки 3

[Рисунок / Изображение продукта: Результаты обработки данных в конфигурации 3]

Рисунок 8. Результаты, полученные в ходе эксперимента 3.

Как показано на рисунке 8, среди четырех условий измерения a/b/c/d в конфигурации 3 только измерение скорости ветра, проведенное непосредственно под центром БПЛА, не зависело от вращения ротора.

3.4 Результаты настройки 4

[Рисунок / Изображение продукта: Результаты обработки данных в конфигурации 4]

Рисунок 9. Результаты, полученные в ходе настройки 4.

Как показано на рисунке 9, существенной разницы между скоростями ветра, измеренными двумя датчиками, не наблюдалось, когда БПЛА зависал на высоте 60 м и 100 м.

4. Заключение

Многороторный БПЛА имеет относительно спокойную зону воздушного потока вокруг своего центра. Когда в этой зоне устанавливается миниатюрный датчик ветра (размерами меньше этой зоны покоя) для измерений в режиме зависания в воздухе, результаты измерений практически не зависят от нисходящей турбулентности, создаваемой роторами. Кроме того, измеренная скорость ветра не сильно зависит от длины опорного стержня.

Ссылки

[1] Лю, К. Разработка и реализация системы визуализации на основе БПЛА для отслеживания источников загрязнения атмосферы [J]. Электромеханическая информация, 2021(20): 38–40.

[2] Ку, ЮВ, Ван, ТДж, Юань, Ч. и др. Прогресс исследований в области обнаружения и отслеживания источников атмосферного мелкодисперсного загрязнения и озонового загрязнения с помощью БПЛА [J]. Экологическая наука, 2023, 44(12): 6598–6609.

[3] Хуан, Б. К. Принципы и применение анализа ветроустойчивости конструкций [М]. Шанхай: Издательство Университета Тунцзи, 2001: 47–49.

[4] Ли, ЧН, Ю, М., У, ХХ и др. Корреляционное исследование измеренных ветровых полей и ветрового давления для малоэтажного модельного здания [J]. Журнал Хунаньского университета (Естественные науки), 2016, 43(5): 70–78.

[5] Хуан, Б., Ли, ЧН, Чжао, ЧФ и др. Ветер, не содержащий приземных примесей, и ветровой песок фотоэлектрических электростанций в пустынной местности [J]. Журнал ветровой инженерии и промышленной аэродинамики.

[6] Ли, ZN, У, WX, Ван, ZF. Экспериментальное исследование характеристик приземного ветрового поля в пригородах Пекина [J]. Журнал строительных конструкций, 2013, 34(9): 82–90.

[7] Ху, С.Ю., Ли, К.С. Полевые измерения ветровых нагрузок на малоэтажные здания (I): Характеристики приземного пограничного ветрового поля во время тайфуна, обрушившегося на сушу [J]. Журнал гражданского строительства Китая, 2012, 45(2): 77–84.

[8] Холланд, Г. Дж., МакГир, Т., Янгрен, Х. Автономные аэрозонды для экономичного атмосферного зондирования в любой точке земного шара [J]. Бюллетень Американского метеорологического общества, 1998, 73.

[9] Цзян, М., Ши, Дж., Ли, Дж. Ц. и др. Экспериментальное исследование 2D ультразвуковых датчиков ветра, установленных на многороторном БПЛА [J]. Зарубежные электронные измерительные технологии, 2021, 40(5): 88–94.

Контекст продукта и применения

HY-SA256 позиционируется как компактный двухмерный ультразвуковой датчик скорости и направления ветра для небольших самолетов, БПЛА и беспилотных платформ. Его компактные размеры (50 мм × 50 мм), вес 56 г, цифровой выход RS485 и широкий диапазон рабочих температур делают его подходящим для измерения параметров атмосферы на малых высотах, мониторинга окружающей среды с помощью БПЛА, отслеживания источников загрязнения атмосферы, мобильных метеорологических наблюдений и других применений, где важны малый вес и компактная интеграция.