小型3D超声波风速计和天气传感器无人机,无人机和GCS

野火环境中用于气象剖面的无人机

通过迈克球/ 2020年11月11日

UAS野火研究

Anemoment发布了以下文章,详细介绍了用无人机系统(UAS)对野火期间发生的环境条件进行的研究。一瞬间提供了它TriSonica迷你风和天气传感器,安装在由圣何塞州立大学火灾天气研究实验室操作的大疆Matrice 200无人机上。

野火既不稳定又具有破坏性。仅在2020年9月,美国就有超过3,544,030英亩的土地被野火烧毁。这些火灾向大气中释放了大量的二氧化碳、黑碳和棕色碳,影响了区域甚至全球范围内的气候。由此产生的污染物可能会对急救人员和当地居民造成有害的接触。了解大气如何影响野火行为以及这些火灾如何影响大气是圣何塞州立大学火灾天气研究实验室的核心。

圣何塞州立大学火灾研究实验室、野火跨学科研究中心教授克雷格·克莱门茨博士说:“关于火灾行为,我们知道的一件事是——大多数人忽视了这一点——风的垂直轮廓已被证明会导致不稳定的火灾行为。”“如果有强烈的风切变——当风以一个方向吹向地面,而风以相反的方向吹过该层——就会出现不稳定的火灾行为。”

传统上,火灾研究人员依靠塔或绳索来捕捉垂直风廓线。然而,在不断变化的野火环境中,在火灾前沿附近建立一个塔或运输和部署一个气球并不是一个现实的选择。

克莱门茨补充说:“气球在提供温度和风廓线方面非常有效。”“但气球很麻烦,因为你要处理气球、氦气、缆绳、绞车,所有这些都是为了让气球带着传感器包进入大气层。虽然这是我们过去进行重复风廓线的方法,但它在活跃的火灾区行不通。无人驾驶飞机系统被证明是一种可靠且易于部署的研究平台,供科学家在火灾环境中进行气象剖面分析。它们已经证明了自己既经济又有效。”

在克莱门茨博士的指导下,火灾天气研究实验室一直在使用无人机对野火进行气象分析。他们的研究表明,配备了声波风速计的无人机可以有效地获取大气变量的垂直廓线,同时也可以用来代替气象塔测量,对火灾环境进行采样。

协助Clements博士进行这项研究的是Matthew Brewer,他是火灾天气研究实验室的研究生研究助理。布鲁尔被证明是一个关键的资产,因为他驾驶UAS进行了这一系列的野火研究。布鲁尔说:“我一直认为无人机很适合用于大气科学,尤其是高分辨率采样。”“这种信念以及我对火灾天气和下坡风暴等事情的兴趣,与克莱门茨博士的研究目标是一致的。这就是把我带到圣何塞州立大学的原因,这被证明是一个非常独特的机会,我在其他任何地方都不会有。”

该团队与美国林务局(USFS)和沙漠研究所(DRI)合作,驾驶一架配备了Anemoment公司的TriSonica Mini风和天气传感器的大疆Matrice 200 (M200),对野火产生的三维(3D)风的垂直风廓线进行了采样。

大疆M200四轴飞行器是一款商业化的现成平台,因为其易于使用、避障措施和易于维护而被选择。所选的传感器包记录风速(u, v, w),风向,声波温度,湿度,压力,磁航向,俯仰和滚转速率,最高可达5hz。

克莱门茨补充说:“由于磁航向和加速度计校正的输出,以及只有50克的小质量,这种传感器是无人机的理想选择。TriSonica Mini真正酷的地方在于它能自动纠错;它有一个惯性测量单元(IMU),因此它可以自动校正俯仰和横滚。那巨大的!”

传感器的位置至关重要。太接近转子和转子清洗可能损害结果数据。研究小组在anmoment网站上看到了美国海军学院和乔治华盛顿大学的研究人员驾驶的八旋翼飞机的图片,传感器安装在延伸到无人机平台一侧的吊杆上。利用这一设计,团队开始测试放置选项,以尽量减少转子造成的任何偏差。

克莱门茨解释说:“我们决定将传感器放置在一侧,部分原因是我们希望获得垂直速度。”“部署3D声波风速计的关键是利用该设备的微气象学功能,你真的想要获得切向(W)速度,我们确定了最佳位置,然后在飞行器下面的吊臂上。”

将传感器放置在四轴飞行器的一侧还有一个好处,平台可以迎风旋转,这样转子就在传感器的下风处,可以获得更清晰的读数。

经过几次测试,该团队将传感器放置在距离无人机机身约55厘米(两倍道具宽度)的位置,因为超过这个距离会导致平台不稳定。然后,他们选择将Anemoment的数据记录器安装在无人机的顶部,由集成在M200中的5V USB端口供电。

风速系统的准确性和偏差在R.M. Young (RMY) 81000 3D声波风速仪旁的几次飞行中进行了评估,得到的数据使用Campbell Scientific CR1000数据记录器记录。克莱门茨指出:“在低风速测试中,与RMY相比,UAS平台表现得非常好,没有明显的偏差。”他们的测试表明,在中风比较中,与安装在RMY塔式测量相比,uas测量的风速有~0.5 ms-1的总体正偏差。克莱门茨很快就澄清了这种偏差不是恒定的,在UAS风速比塔风速小1 ms-1的时期。他们的研究表明,当风速表彼此相邻安装时,与RMY相比,TriSonica Mini声波风速表具有较低的偏差,并且与RMY相比,可以准确测量温度。

当被问及TriSonica Mini时,克莱门茨博士很快补充道,“它真的很便宜。制作不差,但价格合理,准确,易于集成到无人机系统或塔平台。当我得知Steve Osborn (Anemoment的首席技术官)是我最喜欢的ATI声波风速仪的设计师时,我就想,‘哦,太酷了。“TriSonica Mini背后的科学原理和ATI所有的音响是一样的,我认为它们是目前最好的音响。”这对我来说也很重要。”

利用受控和测试燃烧,以及在实验环境中捕获的数据,克莱门茨博士和他的团队能够测量与火场相关的气象和湍流。本研究为了解火灾行为提供了一个高质量的数据集,包括火灾蔓延速度和烟雾传输。他们的研究发现,不仅在可控的野外火灾中使用无人机是可行的,而且为在大型野外火灾中使用更多的无人机奠定了基础。

他们的研究表明,“在野外火灾中使用无人机可能是对目前用于监测火灾环境的仪器的改进。”采集的数据可用于计算各种火灾天气指数,从而提供火灾行为和烟雾扩散指导。他们证明了他们的无人机平台能够进行高分辨率的测深,揭示小尺度的温度和风结构——由于无线电探空仪的上升速度更快,这些观测可能会被错过或平滑。

布鲁尔说:“无人机使我们能够看到靠近火场的风场演变。”“通常情况下,如果不彻底摧毁一堆仪器,你就无法获得这种效果。无人机可以让我们得到很多样本关于风和温度是如何受到火锋的影响的,然后因为它是一个移动平台,你可以重复这个过程到达火锋前面,让火燃烧过去,收集数据,然后飞出去,绕着做,一遍又一遍。这个移动平台让我们在火灾发生过程中获得多次观测数据,这是你一次观测无法获得的。”

虽然目前的UAS系统对大气测深和气象站式观测有效,可提供精度为±1 ms-1和0.5°C的风速和温度读数,但克莱门茨很快指出:“由于该平台的误差(1 ms-1或更多)很常见,因此很难确定风的变化是由火灾引起的环流引起的,还是由道具清洗、堵塞或平台移动引起的误差。”克莱门茨和他的团队仍然乐观地认为,除了用于火灾-大气相互作用研究外,持续的研究将进一步证明UAS是野火事件中量化火灾天气条件的可行选择。

克莱门茨说:“目前,我们是美国唯一可以部署到活跃野火的气象团队。”“我们被列为国家资源,所以我们可以随时被要求。我想象有一天,我们将部署我们所有的资产:我们的两辆卡车(一辆装有雷达,一辆装有激光雷达),我们的气象气球系统,我们的地面天气系统,以及我们的无人机,以编制野火环境的完整图片。”

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发布的 迈克球 Mike Ball是我们在无人系统技术的常驻技术编辑。万搏manbext万博mantex手机官网结合他对教学、先进工程和所有无人事物的热情,迈克密切关注着与无人技术部门相关的一切。Mike在无人驾驶领域拥有超过10年的经验,并拥有工程学学位,在过去的8年里一直领导着我们的技术团队。 联系与联系
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