无人机旋翼对二维超声波风速仪测量结果的影响研究

引言

无人机大气污染物溯源技术在近些年已经得到迅猛发展[1]，国内外已经有大量的研究将无人机与大气污染物探测设备相结合的方式进行污染物的探测溯源[2]。在使用无人机进行污染物溯源的过程中，如果要提前预知污染物的扩散方向和扩散速度，较简便的方法是使用无人机搭载风速风向仪探测近地空中的风场变化情况。传统测量低空大气风场的方法主要使用测风塔或测风桅杆[3-5]．测风塔笨重，安装位置需要远离高楼、树木，且只能进行垂直方向的风场测量，因此使用测风塔或测风桅杆对于低空水平方向的风场测量具有一定的局限性[6-7]。1992年Holland等首次使用固定翼无人机搭载皮托管的方式对高空中的风场进行测量，但受限于固定翼无人机的飞行方式只能测量水平风场。

相较于固定翼无人机，多旋翼无人机可以在空中垂直升降、悬停等，搭载的风速风向仪不仅能测量水平风场，还能对垂直风场变化情况进行分析。姜明[9]等使用多旋翼无人机搭载二维超声波风传感器进行40m低空悬停测风，实验表明无人机搭载二维超声波传感器测风与同高度梯度塔静态测风结果吻合，平均风速偏差为0.46m/s，证明了多旋翼无人无人机测风的可行性。此外也有许多对多旋翼无人机二维超声波测风算法的研究。

在无人机飞行或悬停过程中，旋翼转动时产生湍流不可避免地对所搭载的风速仪产生扰流作用，因此选用什么样的风速仪以及风速仪在无人机上的固定位置选择将对测量结果产生不同的影响，本文将利用我公司根据声共振原理自行研制的一款小尺寸的超声波风速风向仪，搭载于旋翼无人机上对近地风场进行测量研究，以期获得无人机旋翼转动对无人机风速测量结果的影响。

1 无人机测风实验原理分析

如下图1所示：旋翼无人机的旋翼所产生的湍流是垂直向下，如图中箭头所示。由于旋翼离无人机中心具有一定的距离，会在中心附近留出一块静风区域，只要在静风区域内在无人机的顶部上方或者腹部下方安装一个小型或者微型的二维风速仪，水平面风速的测量结果基本不会受到旋翼产生的垂直向下湍流影响。

                                    图1 无人机风速仪测风示意图

2 实验方案

   2.1 实验设备

   本实验设备采用2台虹岳公司自产HY-SA256型二维超声波风速风向仪以及一台六旋翼无人机。

      2.1.1 HY-SA256风速仪

      如图2，HY-SA256型风速风向仪是一款利用超声波共振式原理的风速仪。专门设计安装在小型飞行器上和无人驾驶平台上用于监测低空区域的风速风向        数值。其性能指标如下：

                                                 图2微型风速仪

        2.1.2 六旋翼无人机

              如图3，为一台六旋翼无人机V6，悬臂长为400mm，旋翼直径400mm，也就是说旋翼离无人机中心最短距离为200mm。展开后相邻悬臂夹角为                  60°。

                                 图3 六旋翼无人机

2.2 实验方案

    2.2.1 实验方案一f1030

如图四，在无人机的顶部上方和机腹下方分别装上一台HY-SA256超声波风速风向仪，顶部上风速仪支撑杆长度为600mm。两台风速仪都安装在无人机中心位置。静置于地面，让无人机旋翼转动（不离开地面），进行风速测量。数据刷新率1秒，测试时间总长120秒。

                                                   图4 无人机测风

2.2.2 实验方案二

在方案一的风速仪布置基础上，无人机下风速仪安装位置不变，将顶部上风速仪支撑杆长度分别调整为300mm和0mm(放置于无人机中心位置)，分别进行风速测量。测试频率1秒一次，测试时间总长120秒。

2.2.3 实验方案三

在方案一的风速仪布置基础上，保持上方风速仪不动，首先将无人机腹部下方风速仪放置于无人机中心下方地面上，再将风速仪放置于无人机旋翼边缘下方地面上，最后再将风速仪放置在相邻两旋翼中心下方地面，保持无人机不脱离地面而旋翼转动，分别对以上放置三个位置的风速仪进行风速测量。数据刷新频率1秒一次，测试时间总长120秒。

2.2.4 实验方案四

按照方案一的风速仪布置，将无人机悬停于离地面高度60米和100米的位置进行风速测量。测试数据刷新频率1秒一次，测试时间总长120秒。

                                 图5 无人机空中悬停测量

3实验结果分析

3.1 方案一结果分析

                                      图6 方案一数据结果

从图6中可以看出，分布于无人机顶部和腹部的上下两台风速仪测量风速数据几乎无异。

3.2 方案二结果分析

图7 方案二数据结果

从图7中a和b可以看出，无人机上下风速没有明显的差异，由此说明在无人机中心区域的静风区域，风速的测量与风速仪支撑杆的长短没有关系。

3.3 方案三结果分析

图8 方案三数据结果

从图8中可以看出，在方案三的a\b\c\d四中情况下，只有在无人机中心位置正下方测量的风速不受旋翼旋转的影响。

3.4 方案四结果分析

图9 方案四数据结果

从图9中可以看出，无人机在悬停（60米和100米）状态下两台风速仪所测风速没有明显的差异。

4 结论

多旋翼无人机在无人机的中心位置区域存在一个静风区域，在此区域架设微型（尺寸小于静风区域）风速仪进行空中悬停测风，测量结果基本不受旋翼产生的湍流影响，同时，风速仪测量结果与支撑杆的长度无关。

参考文献：

[1]  刘奎．基于无人机的大气污染源溯源可视化系统设计与实现[J]．机电信息，2021(20)：38—40．

[2]  曲雅微，王体健，袁成，等．基于无人机的大气细颗粒物与臭氧污染探测与溯源研究进展『J]．环境科学，2023，44(12)：6598—6609．

[3]  黄本才．结构抗风分析原理及应用[M]．上海：同济大学出版社，2001：47—49．

[4]  李正农，余蜜，吴红华，等．某低矮模型房屋实测风场和风压的相关性研究『J]．湖南大学学报(自然科学版)，2016，43(5)：70—78．

[5]   Huang B，Li ZN，Zhao ZF，et a1．Near—ground im—purity--free wind and wind--driven sand of photovoltaic power stations ina desert area J 1．Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，

[6]  李正农，吴卫祥，王志峰．北京郊外近地面风场特性实测研究[J]．建筑结构学报，2013，34(9)：82—90．

[7]   胡尚瑜，李秋胜．低矮房屋风荷载实测研究(I)——登陆台风近地边界层风特性『J]．土木X-程学报，2012，45(2)：77—84．

[8]   Holland G J，McGeer T，Youngren H．Autonomous Aerosondes for Economical Atmospheric Soundings Anywhere on the Globe J 1．Bulletin of the Ameri—can Meteorological Society．1 987—1 998．73．

[9]   姜明，史静，李觐卿，等．多旋翼无人机搭载二维超声风传感器观测研究『J]．国外电子测量技术，2021，40(5)：88—94．