RU2632270C1

RU2632270C1 - Method of average wind velocity determination by dint of unmanned aerial vehicle

Info

Publication number: RU2632270C1
Application number: RU2016117523A
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Кураков; Полина Сергеевна Куракова; Ольга Алексеевна Куракова
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2016-05-04
Publication date: 2017-10-03

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: one launches the unmanned aerial vehicle (UAV) in the targeted region of space. The gauge dependence among the thrust vector tilt, the wind velocity, the UAV body swing angle, the atmosphere pressure, the humidity, the temperature and the total power, which is developed by the UAV engine, are pre-determined for this vehicle. Upon that, if reached the desired point with the predetermined coordinates, the UAV, which is capable of the hovering in the targeted space point, is put in hold the geographic position and steady vertical motion mode, and then the mode steady yaw movement is put. At divisible by the UAV complete turn round vertical axis periods of time, one measures the thrust vector tilt, the consumed by engines power, the atmosphere pressure, the dissimilar air masses. At the same time, the complete turn and the UAV direction are determined with the aid of the electronic magnetic compass. One determines the direction and the wind speed in the vertical cut using the received dependence when calibrating and the newly measured characteristics.

EFFECT: functional capacity enhancement, probing device positioning accuracy increase.

1 dwg

Description

Способ определения усредненного вектора скорости ветра с помощью беспилотного летательного аппарата относится к метеорологии и предназначен для измерения метеовеличин в вертикальном разрезе атмосферы в определенной географической точке.The method for determining the averaged vector of wind speed using an unmanned aerial vehicle relates to meteorology and is intended to measure meteorological values in a vertical section of the atmosphere at a certain geographical point.

Известны способы и устройства для определения скорости и направления ветра путем использования воздушных шаров или радиозондов (Патент на изобретение РФ №2101736, МПК G01W 1/02, 01.10.1998, патенты на полезные модели №103195, МПК G01W 1/08, 01.12.2010, №92204, МПК G01W 1/02, 10.03.2010).Known methods and devices for determining the speed and direction of the wind by using balloons or radiosondes (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2101736, IPC G01W 1/02, 10/01/1998, utility patents No. 103195, IPC G01W 1/08, 12/01/2010 No. 92204, IPC G01W 1/02, 03/10/2010).

Недостатком таких технических решений является невозможность проведения измерений в заранее выбранных географических координатах вследствие неуправляемости зонда.The disadvantage of such technical solutions is the impossibility of taking measurements in preselected geographical coordinates due to the uncontrollability of the probe.

Наиболее близким является способ, описанный в устройстве для определения скорости и направления ветра на заданной высоте, который выбран в качестве прототипа. Способ заключается в запуске зонда в интересующую область пространства на заданную высоту с помощью специальных средств, обеспечении движения зонда в горизонтальном направлении по ветру и регистрации скорости и направления ветра с помощью специальных средств. Зонд снабжен системой спутниковой навигации, электронным гироскопом, электронным магнитным компасом (Патент РФ 98256, МПК G01W 1/00, 27.04.2010).The closest is the method described in the device for determining the speed and direction of the wind at a given height, which is selected as a prototype. The method consists in launching the probe into the desired region of space at a given height using special means, ensuring the probe moves in the horizontal direction in the wind and recording the speed and direction of the wind using special means. The probe is equipped with a satellite navigation system, an electronic gyroscope, an electronic magnetic compass (RF Patent 98256, IPC G01W 1/00, 04/27/2010).

Недостатком прототипа является невозможность выбора координат точки проведения измерений.The disadvantage of the prototype is the inability to select the coordinates of the point of measurement.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение точности позиционирования зонда.The objective of the invention is the expansion of functionality, improving the accuracy of the positioning of the probe.

Технический результат - расширение функциональных возможностей, а именно возможность измерения усредненного вектора скорости ветра в вертикальном разрезе атмосферы.The technical result is the expansion of functionality, namely the ability to measure the averaged vector of wind speed in a vertical section of the atmosphere.

Технический результат достигается тем, что, как и в известном способе определения усредненных значений скорости и направления ветра, запускают зонд в интересующую область пространства на заданную высоту, направляя информацию на радиоприемную систему, при этом зонд снабжен системой спутниковой навигации, электронным гироскопом, электронным магнитным компасом.The technical result is achieved by the fact that, as in the known method for determining the averaged values of wind speed and direction, a probe is launched into a region of space of interest at a given height, sending information to a radio receiving system, while the probe is equipped with a satellite navigation system, an electronic gyroscope, an electronic magnetic compass .

В отличие от известного способа, в предлагаемом техническом решении в качестве зонда используют беспилотный летательный аппарат (БПЛА) с известными калибровочными характеристиками влияния ветра на наклон вектора тяги, способный зависать в заданной точке пространства и снабженный датчиками наклона, температуры, давления, влажности и потребляемой двигателями мощности, который, при достижении им нужной точки с заранее выбранными географическими координатами переводят в режим удержания географических координат, равномерного движения по вертикали, затем запускают режим равномерного вращения вокруг вертикальной оси, через промежутки времени, кратные полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси, измеряют калибровочные характеристиками БПЛА, фиксируя наклон вектора тяги БПЛА, потребляемую двигателями мощность, атмосферное давление, температуру и влажность воздуха, при этом полный оборот и направление БПЛА определяют с помощью электронного магнитного компаса, используя заранее известные калибровочные характеристики и вновь измеренные, определяют направление и скорость ветра в вертикальном разрезе.Unlike the known method, in the proposed technical solution, an unmanned aerial vehicle (UAV) with known calibration characteristics of the influence of wind on the slope of the thrust vector, capable of freezing at a given point in space and equipped with sensors for tilt, temperature, pressure, humidity and consumed by engines, is used as a probe power, which, when it reaches the desired point with pre-selected geographical coordinates, is transferred to the mode of holding geographical coordinates, uniform movement vertical, then start the uniform rotation around the vertical axis, at intervals multiple to the complete revolution of the apparatus around the vertical axis, measure the UAV’s calibration characteristics, fixing the slope of the UAV thrust vector, the power consumed by the engines, atmospheric pressure, temperature and humidity, with a full revolution and the direction of the UAV is determined using an electronic magnetic compass, using previously known calibration characteristics and newly measured, determine the direction and speed vertical axis of the wind.

Режим удержания координат проиллюстрирован на фиг. 1.The coordinate holding mode is illustrated in FIG. one.

Он характеризуется равновесием горизонтальной (Fт_x) проекции тяги (Fт) БПЛА, находящегося в наклонном положении, и силы Fв, с которой ветер воздействует на БПЛА (см. фиг. 1). При этом БПЛА может перемещаться по вертикали или находиться на неизменной высоте, в зависимости от соотношения между вертикальной проекцией тяги и весом (Fg) БПЛА.It is characterized by the equilibrium of the horizontal (FT _x ) projection of the thrust (FT) of the UAV in an inclined position and the force Fv with which the wind acts on the UAV (see Fig. 1). In this case, the UAV can move vertically or be at a constant height, depending on the ratio between the vertical projection of the thrust and the weight (Fg) of the UAV.

Наклон вектора тяги БПЛА в описанном выше режиме однозначно соответствует усредненному движению ветра в данной точке пространства при известных значениях атмосферного давления, влажности и температуры, а также суммарной мощности, развиваемой двигателями БПЛА. Кратность оборотов вокруг оси БПЛА нивелирует асимметрию его парусности. Вращение БПЛА также повышает его устойчивость за счет возникновения момента инерции. Для определения вектора средней скорости ветра необходимо использовать заранее измеренную при калибровке системы зависимость между наклоном БПЛА α, вектором скорости ветра F_в, углом поворота корпуса БПЛА ϕ, атмосферным давлением Р, влажностью ψ, температурой Т и суммарной мощностью W, развиваемой двигателями БПЛА:The slope of the UAV thrust vector in the above mode unambiguously corresponds to the average wind movement at a given point in space with known values of atmospheric pressure, humidity and temperature, as well as the total power developed by the UAV engines. The multiplicity of revolutions around the axis of the UAV eliminates the asymmetry of its windage. The rotation of the UAV also increases its stability due to the occurrence of moment of inertia. To determine the average wind speed vector, it is necessary to use the dependence between the UAV slope α, the wind speed vector F _в , the rotation angle of the UAV case ϕ, atmospheric pressure P, humidity ψ, temperature T and the total power W developed by UAV engines:

При одновременном запуске нескольких БПЛА в разных точках можно получить объемную модель метеопроцессов в рассматриваемой области пространства. Также использование нескольких БПЛА, одновременно сканирующих равноподеленные между ними участки единого вертикального разреза может служить для сокращения времени регистрации быстропротекающих процессов в атмосфере, при этом время получения вертикального разреза уменьшается в N раз, где N - количество одновременно запускаемых БПЛА.With the simultaneous launch of several UAVs at different points, it is possible to obtain a three-dimensional model of meteorological processes in the considered area of space. Also, the use of several UAVs simultaneously scanning equally divided sections of a single vertical section between them can serve to reduce the time of registration of fast processes in the atmosphere, while the time to obtain a vertical section is reduced by N times, where N is the number of simultaneously launched UAVs.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

1. БПЛА, способный зависать в воздухе, имеющий спутниковую систему навигации, гироскоп, магнитный компас, датчики потребляемой двигателями суммарной мощности, атмосферного давления, влажности и температуры, помещают в аэродинамическую трубу и определяют зависимость между наклоном БПЛА α, вектором скорости ветра Fв, углом поворота корпуса БПЛА ϕ, атмосферным давлением Р, влажностью ψ, температурой Т и суммарной мощностью W, развиваемой двигателями БПЛА, в виде:1. An UAV capable of hovering in the air, having a satellite navigation system, a gyroscope, a magnetic compass, sensors of the total power, atmospheric pressure, humidity and temperature consumed by the engines, are placed in a wind tunnel and the relationship between the UAV inclination α, the wind velocity vector Fв, the angle is determined rotation of the UAV case ϕ, atmospheric pressure P, humidity ψ, temperature T and the total power W developed by the UAV engines, in the form:

2. Запускают БПЛА в интересующую область пространства.2. Launch the UAV in the area of interest.

3. Переводят БПЛА в режим удержания географических координат и равномерного движения по вертикали, после чего придают БПЛА равномерное вращение вокруг вертикальной оси. Начинают фиксацию показаний бортовых навигационных приборов и датчиков через промежутки времени, кратные полному обороту аппарата вокруг вертикальной оси. Полный оборот и направление БПЛА определяют с помощью электронного магнитного компаса.3. Transfer the UAV to the mode of geographic coordinate retention and uniform vertical movement, after which the UAV is given uniform rotation around the vertical axis. The readings of the on-board navigation instruments and sensors begin to be recorded at time intervals that are multiples of the complete revolution of the apparatus around the vertical axis. The full rotation and direction of the UAV is determined using an electronic magnetic compass.

4. Используя заранее измеренную при калибровке системы зависимость наклона БПЛА от вектора скорости ветра, давления, влажности и температуры, определяют направление и величину трехмерного вектора средней скорости ветра в каждой точке траектории движения БПЛА.4. Using the dependence of the UAV inclination on the vector of wind speed, pressure, humidity and temperature, which was previously measured during the system calibration, determines the direction and magnitude of the three-dimensional vector of the average wind speed at each point of the UAV motion path.

5. Исходные данные передают на наземную станцию управления по штатному радиоканалу (телеметрия).5. The source data is transmitted to the ground control station via a standard radio channel (telemetry).

Можно перемещать БПЛА по вертикали для непрерывных измерений в вертикальном разрезе атмосферы, либо удерживать БПЛА на месте для точечных измерений, либо осуществить приземление БПЛА для замены аккумуляторных батарей.You can move the UAV vertically for continuous measurements in a vertical section of the atmosphere, or hold the UAV in place for point measurements, or make the UAV land to replace the batteries.

Данный алгоритм может выполняться автоматически, по программе.This algorithm can be performed automatically, according to the program.

Измеренные величины передаются наземной станции управления с телеметрией и анализируются автоматически в режиме реального времени.The measured values are transmitted to the ground control station with telemetry and analyzed automatically in real time.

Таким образом может быть рассчитан усредненный вектор скорости ветра на вертикальном разрезе.In this way, an averaged vector of wind speed over a vertical section can be calculated.

Возможен вариант, в котором измеряемые величины записываются на сменный носитель, устанавливаемый на БПЛА. Расчеты ведутся после посадки БПЛА.A variant is possible in which the measured values are recorded on removable media mounted on the UAV. Calculations are carried out after landing UAV.

Дополнительные достоинства: независимость от состояния облачности, тумана; произвольный выбор точки измерения; управляемый возврат зонда в точку старта по завершении измерений.Additional advantages: independence from cloudiness, fog; arbitrary choice of measuring point; controlled return of the probe to the starting point upon completion of measurements.

Claims

A method for determining an averaged wind speed vector using an unmanned aerial vehicle, in which a probe equipped with navigation devices is launched into an area of interest, characterized in that an unmanned aerial vehicle (UAV) with known calibration characteristics of the wind influence on the thrust vector inclination is used as a probe, able to hang at a given point in space and equipped with sensors for tilt, temperature, pressure, humidity and power consumed by the engines, which at when he reaches the desired point with pre-selected geographical coordinates, they are transferred to the mode of holding geographical coordinates, uniform vertical movement, then they start the uniform rotation around the vertical axis, at intervals multiple to the complete revolution of the device around the vertical axis, measure the UAV calibration characteristics, fixing the vector slope UAV thrust, power consumed by engines, atmospheric pressure, temperature and humidity, while the full rotation and direction of the UAV edelyayut using electronic magnetic compass using known calibration data in advance and measured again determine wind speed and direction in a vertical section.