Использование небольших беспилотников для измерения скорости ветра в полярных регионах

Дроны и аналогичные малые беспилотные летательные аппараты (БПЛА) за последние несколько лет получили огромный всплеск популярности благодаря инновационному применению, такому как мониторинг сельскохозяйственных культур, поисково-спасательные операции и профилирование побережья. Не остался незамеченным и потенциал БПЛА в атмосферных науках и метеорологии, поскольку беспилотники предлагают эффективный способ размещения различных видов датчиков в нижних слоях атмосферы.

Как показали новаторские исследования Национального института полярных исследований (Япония), небольшие беспилотники с метеорологическими датчиками могут быть полезны для прогнозирования погоды в местах, где метеорологических станций мало или их установка и обслуживание обходятся дорого, например, в полярных регионах. С помощью дронов можно собирать бесценные данные для составления численных прогнозов погоды и улучшения климатических моделей.

Однако в этом направлении еще предстоит решить несколько практических задач. Одним из ярких примеров является измерение скорости ветра для составления ветрового профиля. Хотя несколько компаний занимаются коммерциализацией беспилотников для проведения измерений скорости ветра, эти беспилотники, как правило, большие и дорогие. Это связано с тем, что ультразвуковые анемометры, которые они несут, тяжелые и громоздкие. С другой стороны, хотя скорость ветра теоретически может быть рассчитана по данным внутреннего журнала полета дрона, в большинстве коммерческих дронов нет возможности получить доступ к этим данным. Таким образом, при отсутствии альтернативных методов измерения скорости ветра применение беспилотных летательных аппаратов остается ограниченным.

Для решения этой проблемы доцент Джун Иноуэ из Национального института полярных исследований и доцент Казутоши Сато из Технологического института Китами (оба — Япония) недавно провели исследование, в котором протестировали и проверили новое устройство для измерения скорости ветра, совместимое с беспилотными летательными аппаратами: тепловые анемометры.

Как объясняется в их статье, опубликованной 3 октября 2022 года в MDPI’s Drones, тепловые анемометры, также называемые «анемометрами с горячей проволокой», представляют собой небольшие электронные устройства, которые могут косвенно измерять скорость ветра на основе того, как быстро нагретая проволока остывает со временем под воздействием воздушного потока. Эти датчики идеально подходят для беспилотных летательных аппаратов, поскольку они очень легкие (~ 1 г) и недорогие (<200 долларов США).

Исследователи проверили свой подход как в лаборатории, так и в полевых условиях. В лабораторных экспериментах они летали на небольшом беспилотном квадрокоптере, оснащенном тепловым анемометром, перед большими вентиляторами. Используя дымовые машины, высокоскоростные камеры, лазеры и программное обеспечение для анализа изображений, они проанализировали, как воздушный поток нарушается при подъеме дрона. Используя эти данные, они создали алгоритм коррекции смещения, который позволил дрону производить более точные измерения скорости ветра.

Для полевых экспериментов команда пролетела на своем беспилотнике над покрытым льдом Охотским морем, находясь на борту японского патрульного судна «Соя», чтобы произвести измерения скорости ветра. Сравнив данные, собранные беспилотником, с данными ультразвукового анемометра на корабле, команда обнаружила, что они совпадают, что говорит о высокой надежности измерений беспилотника. «Среднеквадратичная ошибка составила ±1,13 м/с, что говорит о том, что предложенный метод коррекции является точным и вполне соответствует требованиям для численного прогнозирования погоды», — отмечает доктор Иноуэ.

В целом, этот альтернативный подход к профилированию ветра, безусловно, перспективен с разных точек зрения». Кроме того, исследователи предложили еще два метода, которые могут быть использованы в будущих работах: вычисление направления и скорости ветра с помощью двух тепловых анемометров и передача собранных данных в режиме реального времени.

Измерения скорости ветра актуальны не только для климатологии и прогнозирования погоды. Самим дронам полезно знать, в каких ветровых условиях они летают, поскольку это позволяет им лучше стабилизировать свой полет. «Стиль полета дронов изменился с полета в пределах визуальной видимости оператора на полет за пределами визуальной видимости. Это связано с тем, что теперь они регулярно используются для доставки грузов на большие расстояния и обследования мест катастроф и лесных пожаров», — говорит доктор Сато.

«Как только мы сможем отслеживать состояние ветра на всех видах беспилотников в режиме реального времени, операторы смогут больше сосредоточиться на своей задаче, не беспокоясь о стабильности и безопасности беспилотника», — заключает он.

Коллектив сайта

(Пока оценок нет)

Загрузка...