基于六旋翼无人机的测风系统研究

摘要

随着人类社会的发展，需要一种灵活且成本相对低廉的仪器实现大气边界层高空风场的测量。本文提出一种基于多旋翼无人机平台搭载测风仪器进行直接测风的方法，针对前人研究的不足，通过风洞实验、现场实测、数据后处理等多种手段全面考察该方法测风的准确度，分析其可行性。　　(1)对无人机测风领域的研究现状进行了详细地阐述，总结了相关的理论和研究成果，同时也分析了前人研究中的不足和局限性。针对基于多旋翼无人机平台的测风方法，进行了仪器的整合改装，开发了一套切实可用的无人机整体测风系统。　　(2)利用不同高度的支架，在六旋翼无人机上搭载超声波风速风向仪进行风洞实验，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来流方向和机身倾斜对测量准确性的影响，实验结果表明：无人机本身对来流风速的影响不大，且当来流湍流度不大时，旋翼转动并不会对计算得到的湍流度产生较大的影响；旋翼转动对风向角的测量基本没有影响。　　(3)为了进一步分析基于多旋翼无人机平台测风的可行性，进行了现场实测研究。将40m高度处无人机测风系统测得的风速风向数据与测风塔数据进行了对比，结果表明二者测得的风向时程除摆放误差和个别散点型野值点外吻合较好。　　(4)对风速数据进行了修正并与测风塔进行校准，且进行风向修正后，二者的平均风速，分量风速相对误差基本可以控制在±2%以内。同时，利用低通滤波法和滑动平均法对风速数据进行后处理，结果表明：二者对风速数据的处理效果类似，可以起到平滑去噪、消除异常数据的作用，但会减小各方向的计算湍流度。相比较而言，滑动平均法更适用于对本文数据的处理。　　研究表明利用多旋翼无人机搭载测风仪器进行直接测风的方法具有可行性，且可以为今后的相关研究提供参考。

目录

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第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 大气边界层高空风场传统测量方法

1.2.1 气球法测风

1.2.2 雷达法测风

1.2.3 测风塔与测风桅杆测风

1.3 无人机测风领域研究现状

1.3.1国外对固定翼无人机测风方面的研究

1.3.2国内对固定翼无人机测风方面的研究

1.3.3国内外多旋翼无人机测风研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第 2 章 风洞实验仪器及设备

2.1 引言

2.2 多旋翼无人机测风系统

2.2.1 多旋翼无人机

2.2.2 机载风速仪

2.2.3 无线传输装置

2.3 其他实验装置和设备

2.3.1 风洞

2.3.2 来流风速测量仪器

2.3.3 转速测定仪

2.4 本章小结

第 3 章 风洞实验及结果分析

3.1引言

3.2 实验前准备

3.2.1 超声波风速风向仪的标定

3.2.2 关于湍流度的考虑及其设置

3.2.3 无人机的固定

3.2.4 旋翼转速标定

3.3 实验工况设计

3.4 风洞实验结果分析

3.4.1 旋翼转动对眼镜蛇风速探头所测风速数据的影响

3.4.2 机身水平且旋翼静止时无人机对风速测量的影响

3.4.3 机身水平时无人机旋翼转动对风速测量的影响

3.4.4 机身水平时无人机旋翼转动对风向测量的影响

3.4.5 机身倾斜对风场测量结果的影响

3.5 本章小结

第 4 章 现场实测与结果分析

4.1 引言

4.2 实验前准备工作

4.2.1 塔装风速仪的选用和标定

4.3 实测实验

4.3.1 实测场地概况

4.3.2 实测方法

4.3.3 无人机风速数据的修正校准与比较分析

4.3.4 测风塔与无人机风速风向的统一对比分析

4.4本章小结

第 5 章 现场实测数据的分析及后处理

5.1引言

5.2 功率谱及低通滤波法基本原理

5.3 滑动平均法基本原理

5.4 无人机风速数据后处理分析

5.4.1 测风塔和无人机风速谱对比分析

5.4.2 无人机风速数据低通滤波处理及分析

5.4.3 无人机风速数据滑动平均处理及分析

5.5 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录 B 攻读硕士学位期间所参与的科研项目