IMCES - Проект № 19-29-06066/мк

Проект междисциплинарных фундаментальных исследований РФФИ по теме «Разработка метода диагностики вихревых образований, сопутствующих движению БТС, на основе акустических измерений и численного моделирования» (19-29-06066)

Участники проекта:
Шелехов Александр Петрович - руководитель
Кобзев Алексей Анатольевич
Керчев Иван Андреевич
Шелехова Евгения Александровна
Пустовалов Константин Николаевич
Зарипов Алексей Рамильевич

Аннотация к научному отчету за 2020-2021 гг.

Прогноз состояния турбулентной атмосферы во время полета коммерческих и военных БПЛА как с неподвижным крылом, так и с вращающим крылом является актуальной проблемой. Одним из путей решения данной проблемы является использование полетных логов малых квадрокоптеров в режиме парения на пути следования БПЛА. В настоящем отчете исследуются возможности квадрокоптера в режиме парения при низковысотном зондировании атмосферной турбулентности с высоким пространственным разрешением на территории, которая представляет собой ровную подстилающую поверхность, и в городской местности со сложной орографией. Проведен цикл экспериментальных работ на территории Базового экспериментального комплекса (БЭК) ИОА СО РАН, на территории ИМКЭС СО РАН и в аэропорту имени Чкалова под Томском. Исследования проводились в различные времена года: зимой, весной, летом и осенью, а парения квадрокоптера осуществлялось в непосредственной близости от ультразвуковых метеостанций АМК-03, установленные на территории в разных местах. Предложен и экспериментально апробирован в различных погодных условиях в различных временах года метод измерения относительных спектров турбулентности и масштабов турбулентности на различных высотах с помощью квадрокоптеров с высоким пространственным разрешением. Установлено, что пересчет компонент скорости ветра из инерциальной системы координат, связанной с Землей, в систему координат, одна из осей которой направлена по среднему ветру, делает необязательным ориентировать квадрокоптер по углу рысканья по направлению среднего ветра при мониторинге состояния атмосферной турбулентности. Показано, что поведение спектров турбулентности в энергетическом и инерционном интервалах, измеренных как квадрокоптером, так и ультразвуковой метеостанцией, совпадает. При парении квадрокоптера над ровной подстилающей поверхностью в инерционном интервале наблюдается ярко выраженный диапазон, в котором выполняется «закон 5/3» и отношения продольных и поперечных спектров турбулентности совпадают с хорошей точностью как с теоретическим значением, так и с данными акустического анемометра. В случае городской местности, анализ спектров турбулентности в инерционном диапазоне, полученных двумя способами измерений, показывает, что они подчиняются закону «пяти третей» Колмогорова-Обухова, а коэффициенты наклона спектра в log-log масштабе согласуются с теоретическими результатами в пределах статистической погрешности. В энергетическом интервале значения масштабов турбулентности, полученных на основе данных квадрокоптера и акустического анемометра, совпадают с хорошей точностью как для ровной подстилающей поверхности, так и для городской местности. Показана возможность использования малоразмерных БПЛА с вращающим крылом для контроля над состоянием атмосферной турбулентности на разных высотах. Масштабы турбулентности, измеренные на разных высотах с помощью АМК-03 и квадрокоптеров, совпадают с хорошей точностью. Таким образом, предлагаемый метод позволяет осуществлять текущий прогноз состояния атмосферы (прогноз хода продольного и поперечного спектров турбулентности и их масштабов) путем использования квадрокоптера в режиме парения на высотах максимально близких к полету транспортного БПЛА на территории со сложной орографией. Проведено численное моделирование атмосферной турбулентности на основе прогностической «e-l» модели турбулентности. Для задания начальных и граничных условий и для расчета геострофического ветра использовались данные с метеорологических станций (аэропорты) Богашево (UNTT), Новосибирск (UNNT), Барнаул (UNBB) и Кемерово (UNEE). Приземные значения метеоданных были взяты с метеорологической станции аэропорта Богашево. Результаты численного моделирования хорошо согласуются с данными измерений на высоте z=30 м, а различия на малых высотах объясняется отклонением модели Колмогорова-Обухова из-за сильных порывов ветра. Основываясь на уравнениях динамики создана численная модель квадрокоптера, которая позволяет осуществлять прогноз его состояния в режиме парения с использованием модели турбулентности Драйдена. Изучено влияние крупномасштабного вихря на состояние квадрокоптера в режиме парения. Установлено, что в случае сильной турбулентности в спектре полетных логов кроме вклада, который определяется крупномасштабным вихрем, появляются высокочастотные колебания. Исследование взаимной корреляции данных квадрокоптера и поля скорости ветра на основе данных измерений показало, что значение коэффициента взаимной корреляции приблизительно равно 0.5-0.6, а при сглаживании экспериментальных данных за период 60 секунд данный коэффициент значительно увеличивается до значений ~0.8. Такие значения коэффициента корреляции адекватно описывает связь между данными полетных логов квадрокоптера и полем скорости ветра на тех расстояниях, на которых находились приборы.

Публикации 2021 г:

Alexander P. Shelekhov, Aleksey L. Afanasiev, Evgenia A. Shelekhova, Alexey A. Kobzev, Alexey E. Tel’minov, Alexander N. Molchunov, "Profiling the turbulence from spectral measurements in the urban atmosphere using UAVs," Proc. SPIE 11864, Remote Sensing Technologies and Applications in Urban Environments VI, 118640B (12 September 2021); doi: 10.1117/12.2597992
Alexander Shelekhov, Aleksey Afanasiev, Evgeniya Shelekhova, Alexey Kobzev, Alexey Tel’minov, Alexander Molchunov, Olga Poplevina, "Estimation of the integral scales of atmospheric turbulence with UAV," Proc. SPIE 11916, 27th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics, 119166H (15 December 2021); doi: 10.1117/12.2603408
A. P. Shelekhov, A. L. Afanasiev, E. A. Shelekhova, A. A. Kobzev, A. E. Tel’minov, A. N. Molchunov, and O. N. Poplevina "Using Small Unmanned Aerial Vehicles for Turbulence Measurements in the Atmosphere" Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2021, Vol. 57, No. 5, pp. 533–545, doi: 10.1134/S0001433821050133
А. П. Шелехов, А. Л. Афанасьев, Е. А. Шелехова, А. А. Кобзев, А. Е. Тельминов, А. Н. Молчунов, О. Н. Поплевина «Использование малоразмерных БПЛА для измерения турбулентности в атмосфере» ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2021, том 57, № 5, с. 611–624, doi: 10.31857/S0002351521050138
Shelekhov A, Afanasiev A, Shelekhova E, Kobzev A, Tel’minov A, Molchunov A, Poplevina O. Low-Altitude Sensing of Urban Atmospheric Turbulence with UAV. Drones. 2022; 6(3):61. doi: 10.3390/drones6030061

Конференции 2021 г:

Alexander Shelekhov, Aleksey Afanasiev, Evgeniya Shelekhova, Alexey Kobzev, Alexey Tel’minov, Alexander Molchunov, Olga Poplevina, "Estimation of the integral scales of atmospheric turbulence with UAV," Proc. SPIE 11916, 27th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics, 119166H (15 December 2021); doi: 10.1117/12.2603408
Alexander P. Shelekhov, Aleksey L. Afanasiev, Evgenia A. Shelekhova, Alexey A. Kobzev, Alexey E. Tel’minov, Alexander N. Molchunov, "Profiling the turbulence from spectral measurements in the urban atmosphere using UAVs," Proc. SPIE 11864, Remote Sensing Technologies and Applications in Urban Environments VI, 118640B (12 September 2021); doi: 10.1117/12.2597992

Аннотация к научному отчету за 2019-2020 гг.

Теоретически и экспериментально исследована динамика парения квадрокоптера в турбулентной атмосфере. С использованием теории турбулентности и на основе уравнений динамической модели твердого тела в квазистационарном приближении разработана модель идеального парения квадрокоптера в турбулентной атмосфере. Данная модель позволяет описать вихревые образования, сопутствующие движению квадрокоптера в турбулентном слое перемешивания и вне его, при его парении в атмосфере. В рамках приближений используемой модели получены выражения для оценки компонент поля скоростей ветра в горизонтальной плоскости, как функция углов тангажа, крена и рысканья. Также получены выражения для оценок турбулентных флуктуаций продольной и поперечной компонент поля скоростей ветра при идеальном парении квадрокоптера в турбулентной атмосфере.

В экспериментальной части проекта были проведены систематические полеты квадрокоптеров и получены временные ряды телеметрии при различных турбулентных условиях в атмосфере на территории Геофизической обсерватории ИМКЭС СО РАН и территории Базового экспериментального комплекса (БЭК) ИОА СО РАН. Местность, где расположена обсерватория, представляет собой территорию со сложной орографией – это лесопарковая зона, в которой находятся здания институтов Академгородка и автомобильные трассы, а БЭК расположен за городом Томск и имеет относительно ровную подстилающую поверхность, которая граничит с коттеджными постройками и лесом. Такой выбор местности для проведения эксперимента позволяет проводить исследования вихревых образований, сопутствующих движению беспилотного транспортного средства в «умном городе», как в городском каньоне, так и на границе города. Отработана методика и проведены тестовые полеты квадрокоптера над выбранной территорией при одновременных измерениях состояния турбулентной атмосферы внутри, на границе и вне слоя перемешивания, а также профилей скорости ветра и его сдвига. Для контроля состояния атмосферы в период полетов использовались автоматический метеорологический комплекс АМК-03, содар и гибридный аэростат К-25М-А «Колибри» с метеорологическим комплексом АМК-03. Осуществлены тестовые полеты гексакоптера DJI S900 с портативной электронной метеостанцией.

Экспериментально доказано, что парение используемых квадрокоптеров можно описывать в рамках модели идеального парения: компоненты скорости равны нулю и квадрокоптер устойчиво держит высоту парения. Установлено, что результаты измерений продольной и поперечной скорости ветра, полученные на основе данных квадрокоптера DJI Phantom 4 Pro и АМК-03, в целом совпадают; а различия наблюдаются в высокочастотной области флуктуаций. Усреднение временных рядов за одну минуту приводит к хорошему согласию между данными, полученными с использованием квадрокоптера и АМК-03, различие в данных не превосходит величину 0.5 м/с. Сравнение результатов измерений продольной и поперечной скорости ветра, на основе данных телеметрии квадрокоптера и содара с усреднением в две минуты приводит к различию в данных до 1.5 – 2 м/с. Парение в экспериментах осуществлялось в непосредственной близости от АМК-03 или от содара. В ходе эксперимента получены временные ряды турбулентных флуктуаций продольной и поперечной компонент скорости ветра с использованием АМК-03 и временные ряды турбулентных флуктуаций оценок этих компонент по данным телеметрии квадрокоптера DJI Phantom 4 Pro в режиме парения. Проведен сравнительный анализ спектров флуктуаций продольной и поперечной компонент скорости ветра и спектров флуктуаций оценок этих компонент по данным телеметрии квадрокоптера. Показано, что спектры флуктуаций поперечной и продольной компонент скорости ветра и спектры флуктуаций их оценок в целом совпадают. В инерционном интервале ход спектров совпадает со спектром, который соответствует закону «пяти третей» Колмогорова-Обухова. Различия в спектрах турбулентных флуктуаций поля скоростей ветра, полученных с помощью автоматического метеорологического комплекса и квадрокоптера, наблюдаются в высокочастотной области спектра, которая соответствует мелкомасштабной турбулентности с низкой энергетикой.

Полученные результаты являются научными основами метода диагностики вихревых образований с использованием квадрокоптера в режиме парения. В процессе диагностики квадрокоптер используется как прибор для измерения спектра турбулентных флуктуаций скорости ветра.

Публикации 2020 г: