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六旋翼无人机旋翼转动对测风准确性的影响研究

李正农 胡昊辉 沈义俊

李正农, 胡昊辉, 沈义俊. 六旋翼无人机旋翼转动对测风准确性的影响研究[J]. 实验流体力学, 2019, 33(6): 7-14. doi: 10.11729/syltlx20190047
引用本文: 李正农, 胡昊辉, 沈义俊. 六旋翼无人机旋翼转动对测风准确性的影响研究[J]. 实验流体力学, 2019, 33(6): 7-14. doi: 10.11729/syltlx20190047
Li Zhengnong, Hu Haohui, Shen Yijun. The influence of rotor rotation of hexacopter on wind measurement accuracy[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2019, 33(6): 7-14. doi: 10.11729/syltlx20190047
Citation: Li Zhengnong, Hu Haohui, Shen Yijun. The influence of rotor rotation of hexacopter on wind measurement accuracy[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2019, 33(6): 7-14. doi: 10.11729/syltlx20190047

六旋翼无人机旋翼转动对测风准确性的影响研究

doi: 10.11729/syltlx20190047
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51678233

国家自然科学基金项目 51478179

详细信息
    作者简介:

    李正农(1962-), 男, 湖北武汉人, 教授, 博士生导师。研究方向:建筑、水工结构及构筑物抗震抗风, 结构可靠度分析及风险评估, 新能源开发利用中的结构问题等。通信地址:湖南省长沙市岳麓区湖南大学土木工程学院(410082)。E-mail:zhn88@263.net

    通讯作者:

    胡昊辉, E-mail:huhaohui@126.com

  • 中图分类号: V211.52

The influence of rotor rotation of hexacopter on wind measurement accuracy

  • 摘要: 旋翼无人机可以代替桅杆实现风场的定点或多点同时测量,但是旋翼转动引起的扰流会对测风的准确性产生影响。利用不同高度的支架,在六旋翼无人机上搭载超声波风速仪进行风洞试验,探究旋翼转动对无人机中心上方各高度处风场的影响以及不同风向角和机身倾斜对测量准确性的影响。结果表明:除个别工况外,旋翼转动均会引起较大的风速相对误差;旋翼转动引起的风速误差随高度呈先增大后减小的趋势;机身水平时,随高度增加,各工况下的风速绝对误差趋于一致,且控制风速大于6 m/s时,风速相对误差随风速增大而减小;旋翼转动对风向角测量基本没有影响。研究结果可为多旋翼无人机搭载测风仪器直接测风的实际应用提供参考。
  • 图  1  尖劈和粗糙元布置图

    Figure  1.  Layout of spires and roughness elements

    图  2  试验布置及风向角β设定图

    Figure  2.  Experimental set-up and wind direction angle

    图  3  机身倾斜角计算示意图

    Figure  3.  Inclined angle calculation diagram

    图  4  旋翼静止时各工况下的风速相对误差曲线

    Figure  4.  Curves of relative wind speed error under various conditions when rotors are stationary

    图  5  各工况下旋翼转动引起的风速相对误差曲线

    Figure  5.  Curves of relative wind speed error caused by rotor rotation under various conditions

    图  6  各工况下测得的风向角

    Figure  6.  Measured angle data under various conditions

    图  7  机身水平与倾斜时的风速相对误差曲线对比

    Figure  7.  Comparison of relative wind speed error between tilted fuselage and horizontal fuselage

    图  8  机身倾斜时各工况下测得的风向角

    Figure  8.  Measured angle data under various conditions when tilting the fuselage

    表  1  超声波风速仪参数

    Table  1.   Parameters of ultrasonic anemometer

    风速测量 量程 0~50 m/s
    精度 0.5 m/s(v≤10 m/s), 5%(v>10 m/s)
    风向测量 量程 0°~359.9°
    精度 4°(v≥3 m/s)
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    表  2  风速标定结果

    Table  2.   Wind speed calibration results

    控制风速vc /(m·s-1) 4 6 8 10
    眼镜蛇风速探头测得风速/(m·s-1) 3.57 5.43 7.22 9.12
    超声波风速仪测得风速/(m·s-1) 3.58 5.41 7.25 9.11
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    表  3  各工况下旋翼转动引起的计算湍流度变化

    Table  3.   The change of calculated turbulent intensity caused by rotors rotation under various conditions

    支架编号风向角β旋翼状态 1号 2号
    30° -30° 30° -30°
    湍流度/(%) 4 m/s 2.30 1.96 2.30 2.54 2.30 2.76 2.01 1.77 2.23 1.89 1.84 2.14
    6 m/s 1.70 1.42 1.50 1.43 1.45 1.42 1.35 1.27 1.37 1.16 1.47 1.13
    8 m/s 1.17 2.14 1.21 1.05 1.27 1.03 1.01 1.07 1.15 0.82 1.15 0.81
    10 m/s 1.01 2.65 0.96 0.77 0.86 0.70 0.88 1.09 0.90 0.65 0.95 0.80
    支架编号风向角β旋翼状态 3号 4号
    30° -30° 30° -30°
    湍流度/(%) 4 m/s 2.09 1.76 2.14 2.25 1.91 1.77 2.30 1.81 2.13 1.79 2.28 1.95
    6 m/s 1.40 1.02 1.47 1.13 1.24 1.12 1.61 1.22 1.43 1.07 1.64 1.00
    8 m/s 1.13 0.85 1.16 0.94 1.00 0.93 1.17 0.89 1.00 0.84 1.08 0.91
    10 m/s 0.96 0.91 1.00 0.79 0.92 0.82 0.91 0.78 0.90 0.85 0.83 0.82
    支架编号风向角β旋翼状态 5号 6号
    30° -30° 30° -30°
    湍流度/(%) 4 m/s 2.54 1.71 2.41 1.76 2.21 1.68 2.40 1.58 2.18 1.63 2.43 1.50
    6 m/s 1.65 1.22 1.69 1.15 1.60 1.07 1.50 1.26 1.63 1.21 1.64 1.29
    8 m/s 1.20 0.97 1.29 1.00 1.01 0.89 1.13 0.95 1.27 0.91 1.23 1.03
    10 m/s 1.02 0.93 1.00 0.80 0.85 0.79 0.94 0.80 0.95 0.87 1.01 0.75
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    表  4  各工况下旋翼转动引起的风速绝对误差

    Table  4.   Absolute wind speed error caused by rotor rotation under various conditions

    风向角β控制风速vc 30° -30°
    4 m/s 6 m/s 8 m/s 10 m/s 4 m/s 6 m/s 8 m/s 10 m/s 4 m/s 6 m/s 8 m/s 10 m/s
    绝对误差/(m·s-1) 1号 0.60 0.30 0.13 0.09 0.21 1.59 2.13 2.02 -0.03 1.42 1.97 2.03
    2号 0.93 1.42 1.68 1.20 0.79 1.95 2.39 2.40 0.72 1.98 2.32 2.27
    3号 1.24 2.04 2.14 1.58 1.23 2.08 2.21 2.09 1.24 2.07 2.22 2.04
    4号 1.29 1.88 1.96 1.69 1.26 1.87 1.86 1.78 1.22 1.87 1.93 1.82
    5号 1.37 1.68 1.60 1.47 1.41 1.60 1.57 1.50 1.36 1.63 1.53 1.50
    6号 1.31 1.36 1.32 1.18 1.22 1.25 1.24 1.21 1.26 1.31 1.29 1.25
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  • [1] 李阳, 吴旻.无人机测风技术研究[J].传感器世界, 2014, 20(11): 9-13. doi: 10.3969/j.issn.1006-883X.2014.11.002

    Li Y, Wu M. UAV wind speed measuring technologies[J].Sensor World, 2014, 20(11): 9-13. doi: 10.3969/j.issn.1006-883X.2014.11.002
    [2] Holland G J, Webster P J, Curry J A, et al. The aerosonde robotic aircraft: A new paradigm for environmental observation[J]. Bulletin of the American Meteorology Society, 2001, 82(5): 889-902. doi: 10.1175/1520-0477(2001)082<0889:TARAAN>2.3.CO;2
    [3] 马舒庆, 汪改, 潘毅, 等.微型无人驾驶飞机气象探空系统[J].南京气象学院学报, 1998, 21(4): 715-721. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199800433524

    Ma S Q, Wang G, Pan Y, et al. A robot plane meteorological sound system[J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology, 1998, 21(4): 715-721. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=QK199800433524
    [4] 马舒庆, 汪改, 潘毅, 等.微型探空飞机解析测风方法[J].大气科学, 1999, 23(3): 377-284. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1999.03.15

    Ma S Q, Wang G, Pan Y, et al. An analytical method for wind measurements by a mini-aircraft[J]. Chinese Journal of Atmospheric Science, 1999, 23(3): 377-284. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1999.03.15
    [5] 屈耀红, 凌琼, 闫建国, 等.无人机DR/GPS/RP导航中风场估计仿真[J].系统仿真学报, 2009, 21(7):1822-1825. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=xtfzxb200907006

    Qu Y H, Ling Q, Yan J G, et al. Wind field estimation simulation technology in DR/GPS/RP integrated navigation of UAV[J]. Journal of System Simulation, 2009, 21(7): 1822-1825. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=xtfzxb200907006
    [6] 周树道, 王彦杰, 王敏, 等.基于气象无人机飞行角度的改进型测风模型[J].飞行力学, 2011, 29(1): 26-29. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/fxlx201101007

    Zhou S D, Wang Y J. Improved wind model based on the meteorological UAV flight angles[J]. Flight Dynamics, 2011, 29(1): 26-29. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/fxlx201101007
    [7] 刘伟.基于惯性/多普勒组合导航的风速风向测量研究[D].南京: 南京航空航天大学, 2011. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=D166737

    Liu W. Research on wind speed and direction measurement based on INS/Doppler integrated navigation[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2011. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=D166737
    [8] 史忠科, 王润全.基于飞机运动方程的逐步预测"野值"剔除方法[J].系统仿真学报, 2010, 22(10): 2250-2252, 2286. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=xtfzxb201010003

    Shi Z K, Wang R Q. Canceling outlier by step-by-step prediction with flight motion equation[J]. Journal of System Simulation, 2010, 22(10): 2250-2252, 2286. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=xtfzxb201010003
    [9] Neumann P P, Bartholmai M, Bartholmai M. Real-time wind estimation on a micro unmanned aerial vehicle using its inertial measurement unit[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2015, 235: 300-310. doi: 10.1016/j.sna.2015.09.036
    [10] Prudden S, Fisher A, Marino M, et al. Measuring wind with Small Unmanned Aircraft Systems[J]. Journal of Wind Engi-neering and Industrial Aerodynamics, 2018, 176: 197-210. doi: 10.1016/j.jweia.2018.03.029
    [11] Prudden S, Fisher A, Mohamed A, et al. A flying anemometer quadrotor: Part 1[C]//Proc of the 7th International Micro Air Vehicle Conference and Competition(IMAV 2016). 2016.
    [12] de Boisblanc I, Dodbele N, Kussmann L, et al. Designing a hexacopter for the collection of atmospheric flow data[C]//Proc of the 2014 Systems and Information Engineering Design Symposium (SIEDS).2014. https://www.researchgate.net/publication/269302155_Designing_a_hexacopter_for_the_collection_of_atmospheric_flow_data
    [13] Bruschi P, Piotto M, Dell'Agnello F, et al. Wind speed and direction detection by means of solid-state anemometers embedded on small quadcopters[J]. Procedia Engineering, 2016, 168: 802-805. doi: 10.1016/j.proeng.2016.11.274
    [14] 李晓华, 郭正.无人机螺旋桨气动特性数值模拟分析[C]//2014(第五届)中国无人机大会论文集.北京: 中国航空学会, 2014: 471-476. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGHU201409001095.htm

    Li X H, Guo Z. Numerical simulation analysis of aerodynamic characteristics of UAV propeller[C]//UAS China Conference 2014. Beijng: Chinese Society of Aeronautics and Astronautics, 2014: 471-476. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGHU201409001095.htm
    [15] 刘雪松, 昂海松, 肖天航.悬停状态旋翼间干扰对四旋翼升力影响分析[J].航空工程进展, 2014, 5(2): 148-153. doi: 10.3969/j.issn.1674-8190.2014.02.003

    Liu X S, Ang H S, Xiao T H. Analysis of rotor interference effects on quad-rotor lift in hover[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2014, 5(2): 148-153. doi: 10.3969/j.issn.1674-8190.2014.02.003
    [16] 沈奥, 周树道, 王敏, 等.旋翼无人机大气探测设备布局仿真优化设计[J].计算机测量与控制, 2018, 26(2): 165-169, 174. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jsjzdclykz201802041

    Shen A, Zhou S D, Wang M, et al. Simulation and optimization design of atmospheric detection equipment layout based on UAV[J]. Computer Measurement and Control, 2018, 26(2): 165-169, 174. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jsjzdclykz201802041
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-24
  • 修回日期:  2019-07-08
  • 刊出日期:  2019-12-25

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    2021年8月13日