案例展示 无人机测量尾流湍流

位于丹麦的风电场使用无人机测量风涡轮机尾流湍流

背景

丹麦奥尔堡大学(Aalborg University)开展了一项研究项目,研究如何使用无人机直接从服务港运送零件备件至离岸风涡轮机的机舱。 如若成功,这一新系统将取代使用船舶运输零件,以及后续使用缓慢且沉重的起重机起吊零件至机舱。 此项研究的宗旨在于大幅降低风涡轮机的运维成本及运维所导致的服务中断。

由于风涡轮机往往安装在多风地区,而对于系统来说,零件备件的交付过程最理想的是无需中断涡轮机的运行,因此,极具挑战性。 奥尔堡大学为此求助于FT公司,希望评估在强风和湍流环境中,在涡轮机叶片不停转的前提下,在风涡轮机机舱正上方操作无人机的安全性。

项目

为确定无人机所处位置的风项条件,奥尔堡大学购买了一台FT742-SM风传感器并将其加装在一台DJI Matrice 600”小型“无人机上,并在随后的研究项目过程中将其加装在了进行测试运输的一架重达90kg的旋翼无人机上。

项目初期选用M600无人机是基于两个原因。 首先,研究团队当时对于悬停在100米高的6MW风涡轮机机舱上方若干米后会发生什么状况一无所知,且涡轮机旋转叶片后方5米处的风速已超过了20m/s。 因此,研究人员决定使用一款相对便宜的无人机。 其次,多转子配置使得风传感器能够安装在转子尾流上方,以避免对风项测量造成影响。 传感器安装在一根50cm长的铝棒上,随后逐渐靠近涡轮机机舱以查看结果。

视频内容包括:

左上:无人机姿态
右上:无人机前后马达、左右马达驱动力差异
左下:FT742-SM测得的风速(蓝线,m/s为单位)和风向(紫线) 红线显示的是地表风速,但在视频中所显示的飞行测试中并未收录。
右下:相对于额定磁场强度(水平虚线)的磁场强度

此次飞行测试中最让人感兴趣的部分在视频的第七至九分钟。 风涡轮机叶片经过无人机正面的过程反映在了风速的剧烈变化上。

随后,FT742-SM风传感器被转移至T50飞行器上,并倒置安装在机身下方。 为确保传感器能够在这一位置上仍能提供有用的数据,该无人机在不同的风项条件下进行了多次飞行测试。

下文图片中的数据来自于一次强风中的飞行测试,测试时的地面平均风速为8m/s。 由于很难判断风传感器在多大程度上测量的是环境风速,而非飞行器转子湍流,因此测试时飞行器保持在了悬停状态,并对机头方位进行了多次变动。 如果所测得的风向相对稳定,且与飞机机头朝向相关,那么可以认为所测得的风速是可靠的。 左图显示了飞行器指南针方向与FT传感器所测得的风向之间的对比。 右图显示了所测得的相关风速。 由于风向相关程度极为接近,因此风速数据也被认为是十分准确的。

下文中的视频为地面跟踪摄像头记录的飞行测试画面。 上文图中所显示的数据对应的视频画面从4:07开始。 图表中在12:03:50开始的剧烈方向变动对应着视频中的5:05片段。

结论

“FT742-SM产品被证明在风项测量领域十分优秀,甚至包括了安装在大型无人机底部的状况。我们计划在未来的飞行中继续使用风传感器来测量风速和风向,特别是在在超出了视线范围的强风环境中的远程飞行。”

Anders la Cour-Harbo
无人机实验室负责人,博士、数学硕士、副教授
丹麦奥尔堡大学(AAU)
丹麦

所使用产品:

FT742-SM