Використання невеликих безпілотників для вимірювання швидкості вітру в полярних регіонах

Дрони та аналогічні малі безпілотні літальні апарати (БПЛА) за останні кілька років набули величезного сплеску популярності завдяки інноваційному застосуванню, такому як моніторинг сільськогосподарських культур, пошуково-рятувальні операції та профілювання узбережжя. Не залишився непоміченим і потенціал БПЛА в атмосферних науках і метеорології, оскільки безпілотники пропонують ефективний спосіб розміщення різних видів датчиків у нижніх шарах атмосфери.

Як показали новаторські дослідження Національного інституту полярних досліджень (Японія), невеликі безпілотники з метеорологічними датчиками можуть бути корисними для прогнозування погоди в місцях, де метеорологічних станцій мало або їхнє встановлення та обслуговування коштують дорого, наприклад, у полярних регіонах. За допомогою дронів можна збирати безцінні дані для складання чисельних прогнозів погоди і поліпшення кліматичних моделей.

Однак у цьому напрямку ще належить вирішити кілька практичних завдань. Одним із яскравих прикладів є вимірювання швидкості вітру для складання вітрового профілю. Хоча кілька компаній займаються комерціалізацією безпілотників для проведення вимірювань швидкості вітру, ці безпілотники, як правило, великі та дорогі. Це пов’язано з тим, що ультразвукові анемометри, які вони несуть, важкі та громіздкі. З іншого боку, хоча швидкість вітру теоретично може бути розрахована за даними внутрішнього журналу польоту дрона, у більшості комерційних дронів немає можливості отримати доступ до цих даних. Таким чином, за відсутності альтернативних методів вимірювання швидкості вітру застосування безпілотних літальних апаратів залишається обмеженим.

Для розв’язання цієї проблеми доцент Джун Іноуе з Національного інституту полярних досліджень і доцент Казутоші Сато з Технологічного інституту Кітамі (обидва – Японія) нещодавно провели дослідження, в якому протестували та перевірили новий пристрій для вимірювання швидкості вітру, сумісний з безпілотними літальними апаратами: теплові анемометри.

Як пояснюється в їхній статті, опублікованій 3 жовтня 2022 року в MDPI’s Drones, теплові анемометри, також звані “анемометрами з гарячим дротом”, є невеликими електронними пристроями, які можуть побічно вимірювати швидкість вітру на основі того, як швидко нагрітий дріт остигає з часом під впливом повітряного потоку. Ці датчики ідеально підходять для безпілотних літальних апаратів, оскільки вони дуже легкі (~ 1 г) і недорогі (<200 доларів США).

Дослідники перевірили свій підхід як у лабораторії, так і в польових умовах. У лабораторних експериментах вони літали на невеликому безпілотному квадрокоптері, оснащеному тепловим анемометром, перед великими вентиляторами. Використовуючи димові машини, високошвидкісні камери, лазери і програмне забезпечення для аналізу зображень, вони проаналізували, як повітряний потік порушується при підйомі дрона. Використовуючи ці дані, вони створили алгоритм корекції зсуву, який дав змогу дрону робити точніші вимірювання швидкості вітру.

Для польових експериментів команда пролетіла на своєму безпілотнику над вкритим льодом Охотським морем, перебуваючи на борту японського патрульного судна “Соя”, щоб провести вимірювання швидкості вітру. Порівнявши дані, зібрані безпілотником, з даними ультразвукового анемометра на кораблі, команда виявила, що вони збігаються, що свідчить про високу надійність вимірювань безпілотника. “Середньоквадратична помилка склала ±1,13 м/с, що говорить про те, що запропонований метод корекції є точним і цілком відповідає вимогам для чисельного прогнозування погоди”, – зазначає доктор Іноуе.

Загалом, цей альтернативний підхід до профілювання вітру, безумовно, перспективний з різних точок зору”. Крім того, дослідники запропонували ще два методи, які можуть бути використані в майбутніх роботах: обчислення напряму і швидкості вітру за допомогою двох теплових анемометрів і передача зібраних даних у режимі реального часу.

Вимірювання швидкості вітру актуальні не тільки для кліматології та прогнозування погоди. Самим дронам корисно знати, в яких вітрових умовах вони літають, оскільки це дає їм змогу краще стабілізувати свій політ. “Стиль польоту дронів змінився з польоту в межах візуальної видимості оператора на політ за межами візуальної видимості. Це пов’язано з тим, що тепер їх регулярно використовують для доставки вантажів на великі відстані та обстеження місць катастроф і лісових пожеж”, – каже доктор Сато.

“Щойно ми зможемо відстежувати стан вітру на всіх видах безпілотників у режимі реального часу, оператори зможуть більше зосередитися на своєму завданні, не турбуючись про стабільність і безпеку безпілотника”, – підсумовує він.

Коллектив сайта

(Пока оценок нет)

Loading...