كيف تُمكّن أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية للطائرات بدون طيار من مراقبة الرياح على ارتفاعات منخفضة؟

يمكن أن تتغير ظروف الرياح بشكل كبير بين مستوى سطح الأرض والارتفاع الذي تعمل فيه الطائرة بدون طيار فعلياً.

قد تخبر محطة الأرصاد الجوية التقليدية المشغلين بما تفعله الرياح في موقع ثابت، لكنها لا تستطيع دائمًا وصف تدفق الهواء الذي تواجهه طائرة بدون طيار على ارتفاع عشرات أو مئات الأمتار فوق سطح الأرض.

هذا الاختلاف مهم في تطبيقات مثل:

• البحوث المناخية على ارتفاعات منخفضة
• عمليات التفتيش الصناعية باستخدام الطائرات بدون طيار
• الرصد البيئي
• الاستجابة للطوارئ
• دراسات تلوث الهواء
• الرصد الزراعي
• مسوحات موارد الرياح
• أبحاث الطبقة الحدودية للغلاف الجوي

هذا هو المكان الذي... مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية للطائرات بدون طيار تصبح ذات قيمة.

يتم تركيب المستشعر مباشرة على مركبة جوية بدون طيار، ويسافر مع الطائرة ويقيس سرعة الرياح واتجاهها في مواقع وارتفاعات مختلفة.

بدلاً من إنتاج قياس نقطة ثابتة واحدة، يمكن للطائرة بدون طيار أن تساعد بالتالي في بناء صورة أكثر تفصيلاً لحقل الرياح المحلي.

لماذا لا تكفي بيانات الرياح الأرضية دائماً؟

تقيس معظم أنظمة مراقبة الطقس التقليدية الرياح من عمود ثابت.

يُعد هذا النهج مثالياً عندما يكون الهدف هو المراقبة طويلة الأجل في موقع محدد.

لكن الغلاف الجوي ثلاثي الأبعاد.

قد تختلف ظروف الرياح بسبب:

• ارتفاع
• التضاريس
• المباني
• الغطاء النباتي
• تدرجات درجة الحرارة
• الحمل الحراري المحلي
• التأثيرات الساحلية
• الهياكل الصناعية
• وديان جبلية
• الوديان الحضرية

على سبيل المثال، قد تسجل محطة الأرصاد الجوية المثبتة على ارتفاع 10 أمتار فوق سطح الأرض سرعة رياح منخفضة نسبيًا بينما تواجه طائرة بدون طيار تعمل على ارتفاع 100 متر تدفق هواء أقوى.

وبالمثل، يمكن أن يختلف اتجاه الرياح بالقرب من المبنى اختلافًا كبيرًا عن تدفق الهواء فوق الهيكل بسبب الاضطرابات وتأثيرات الدوامات.

يسمح جهاز الاستشعار المثبت على طائرة بدون طيار بإجراء القياسات بالقرب من نقطة الاهتمام الفعلية.

وهذا يجعل استشعار الرياح عبر الأجهزة المحمولة مفيدًا عندما يكون الهدف هو فهم كيف تتغير الرياح بتغير الارتفاع والموقع.

للاطلاع على المشاريع التي تتطلب منصة استشعار خفيفة الوزن، انظر إلى مستشعر سرعة واتجاه الرياح بالموجات فوق الصوتية للطائرات بدون طيار.

ما هو مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية للطائرات بدون طيار؟

مستشعر الرياح فوق الصوتي للطائرات بدون طيار هو مقياس سرعة الرياح صغير الحجم مصمم لقياس سرعة الرياح واتجاهها أثناء تركيبه على طائرة بدون طيار أو منصة أخرى غير مأهولة.

بخلاف أجهزة قياس سرعة الرياح التقليدية وأجهزة قياس اتجاه الرياح، فإن أجهزة الاستشعار فوق الصوتية لا تعتمد على المكونات الميكانيكية الدوارة.

بدلاً من ذلك، يستخدمون إشارات فوق صوتية يتم نقلها بين عناصر الاستشعار.

تؤدي حركة الهواء إلى تغيير زمن انتقال الإشارة الصوتية.

من خلال مقارنة زمن انتشار الإشارات فوق الصوتية التي تنتقل في اتجاهات مختلفة، يمكن للمستشعر حساب ما يلي:

• سرعة الرياح
• اتجاه الرياح

يُمكّن مبدأ القياس هذا من تصميم بنية مستشعر صغيرة جدًا.

بالنسبة لتطبيقات الطائرات بدون طيار، فإن هذا الأمر مهم بشكل خاص لأن كل غرام إضافي يؤثر على سعة الحمولة واستهلاك الطاقة ومدة الطيران واستقرار الطائرة.

كيف يعمل قياس الرياح بالموجات فوق الصوتية؟

تخيل محولين للموجات فوق الصوتية يواجهان بعضهما البعض.

عندما لا تكون هناك رياح، فإن النبضة فوق الصوتية التي تنتقل من النقطة أ إلى النقطة ب تستغرق نفس الوقت تقريبًا الذي تستغرقه النبضة التي تنتقل من النقطة ب إلى النقطة أ.

عندما تبدأ الرياح بالتحرك على طول ذلك المسار، يتغير الوضع.

تصل الإشارة فوق الصوتية التي تنتقل مع تدفق الهواء إلى المستشعر المقابل بشكل أسرع قليلاً.

تستغرق الإشارة التي تنتقل عكس اتجاه تدفق الهواء وقتاً أطول قليلاً.

يقيس المستشعر هذه الفروق الزمنية الصغيرة جدًا.

باستخدام مسارات فوق صوتية متعددة موضوعة في اتجاهات مختلفة، يقوم الجهاز بحساب متجه الرياح.

تبدو العملية المبسطة على النحو التالي:

نقل النبضات فوق الصوتية
↓
قياس وقت السفر في اتجاهات متعددة
↓
احسب فرق التوقيت
↓
تحديد متجه تدفق الهواء
↓
سرعة الرياح واتجاهها

تُغني طريقة القياس هذه عن الحاجة إلى الأكواب أو المراوح أو دوارات الرياح الميكانيكية.

لماذا تُعدّ أجهزة استشعار الرياح فوق الصوتية مناسبة للطائرات بدون طيار؟

إن المستشعر الذي يعمل بشكل جيد على عمود الأرصاد الجوية ليس بالضرورة مناسبًا للطائرة بدون طيار.

تُنشئ المنصات المحمولة جواً متطلبات هندسية مختلفة.

1. وزن خفيف

يؤثر وزن الحمولة بشكل مباشر على مدة طيران الطائرة بدون طيار.

تؤدي أجهزة الاستشعار الثقيلة إلى تقليل كمية طاقة البطارية المتاحة للطيران وقد تحد من نطاق تشغيل الطائرة.

ولهذا السبب عادةً ما تعطي أجهزة الأرصاد الجوية التي تستخدمها الطائرات بدون طيار الأولوية للتصميم المدمج وخفيف الوزن.

يمكن لجهاز استشعار صغير يعمل بالموجات فوق الصوتية أن يوفر قياسًا للرياح دون الحاجة إلى الهيكل الميكانيكي الأكبر المرتبط بأجهزة قياس الرياح التقليدية ذات الكأس والريشة.

2. لا توجد أجزاء متحركة ميكانيكية

تعتمد أجهزة قياس سرعة الرياح الميكانيكية على المحامل أو الأكواب أو دوارات الرياح.

تعمل هذه المكونات بشكل جيد في العديد من محطات الأرصاد الجوية الثابتة، لكن الطائرة بدون طيار تُدخل الاهتزازات والحركة السريعة والإقلاع والهبوط المتكرر وتغيير اتجاه الطائرة.

لا يحتوي مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية على مكونات قياس دوارة.

يقلل هذا من التآكل الميكانيكي ويجعل المستشعر أكثر ملاءمة للمنصات المتنقلة حيث يكون الحجم الصغير والمتانة مهمين.

3. استجابة سريعة للرياح

تتحرك الطائرة بدون طيار باستمرار عبر أجزاء مختلفة من الغلاف الجوي.

قد يتغير اتجاه الرياح خلال:

• التسلق العمودي
• نزولاً
• الطيران الأفقي
• انتقالات التضاريس
• فحص المباني
• مواجهة الاضطرابات

لذلك، يحتاج المستشعر المتنقل إلى الاستجابة بسرعة كافية لالتقاط ظروف تدفق الهواء المتغيرة.

يُعد القياس بالموجات فوق الصوتية مناسبًا تمامًا لهذا النوع من مراقبة الرياح في الوقت الحقيقي لأن المستشعر يحدد تدفق الهواء إلكترونيًا بدلاً من انتظار دوار ميكانيكي للتسارع.

4. استهلاك منخفض للطاقة

طاقة الطائرات بدون طيار محدودة.

تستهلك محركات الطيران بالفعل معظم طاقة البطارية المتاحة.

تتنافس أجهزة الاستشعار، وأجهزة الكمبيوتر الموجودة على متن المركبة، ووحدات الاتصال، والكاميرات، وغيرها من الحمولات على ميزانية الطاقة المتبقية.

لذلك، ينبغي أن يتميز مستشعر الرياح الخاص بالطائرة بدون طيار باستهلاك منخفض للطاقة وأن يعمل من مصدر طاقة تيار مستمر عملي.

يساهم تقليل متطلبات الطاقة لأجهزة الاستشعار في الحفاظ على قدرة الطائرات على التحمل.

5. تركيب صغير الحجم

المساحة على متن الطائرة بدون طيار محدودة.

يسهل المستشعر الصغير دمج الجهاز في:

• طائرات بدون طيار متعددة المراوح
• الطائرات بدون طيار ذات الأجنحة الثابتة
• منصات المراقبة الذاتية
• الروبوتات
• أنظمة مراقبة الغلاف الجوي المحمولة

ومع ذلك، فإن موضع المستشعر لا يقل أهمية عن حجمه.

التحدي الأكبر: تداخل مراوح الطائرات بدون طيار

يؤدي تركيب مستشعر الرياح على طائرة بدون طيار إلى مشكلة غير موجودة في عمود الأرصاد الجوية الثابت.

تولد الطائرة بدون طيار تدفق الهواء الخاص بها.

تُنتج مراوح الطائرات متعددة المراوح ما يلي:

• تيار هابط
• أثر دوار المحرك
• اضطراب
• تغيرات الضغط الموضعي

إذا تم تركيب مستشعر الرياح مباشرة داخل هذا التدفق الهوائي المضطرب، فقد يمثل القياس التأثير الديناميكي الهوائي للطائرة بدون طيار بدلاً من الرياح الجوية غير المضطربة.

يُعد هذا أحد أهم الاعتبارات في قياس الرياح بواسطة الطائرات بدون طيار.

أين ينبغي تركيب مستشعر الرياح على الطائرة بدون طيار؟

لا يوجد موضع تثبيت عالمي لكل الطائرات.

يعتمد أفضل وضع على:

• هندسة الطائرات بدون طيار
• عدد الدوارات
• قطر المروحة
• اتجاه الرحلة
• تكوين الحمولة
• حجم المستشعر
• نظام التحكم في الطائرة
• الدقة المطلوبة

الهدف العام هو وضع المستشعر في مكان يتم فيه تقليل اضطراب تدفق الهواء الناتج عن الطائرة إلى الحد الأدنى.

تشمل الوظائف المحتملة ما يلي:

فوق الطائرة

يمكن تركيب جهاز استشعار على دعامة مرتفعة فوق جسم الطائرة بدون طيار.

قد يساعد هذا في إبعاد حجم الاستشعار عن بعض أجزاء دوامة الدوار.

ومع ذلك، فإن هيكل التثبيت يضيف وزنًا ويمكن أن يؤثر على الديناميكا الهوائية.

أسفل الطائرة

في بعض التكوينات، يتم وضع المستشعر أسفل الطائرة بدون طيار.

قد يؤدي هذا إلى تبسيط التكامل الميكانيكي ولكنه يتطلب تحليلًا دقيقًا لتدفق الهواء الهابط للدوار.

أمام الطائرة

على المنصات المناسبة، يمكن أن يساعد وضع مستشعر الرياح بعيدًا عن الجسم الرئيسي في تقليل التداخل.

يجب أن يراعي التصميم حركة الطائرة والاستقرار الهيكلي.

بالنسبة للمشاريع الصعبة، قد يكون من الضروري إجراء محاكاة لتدفق الهواء أو معايرة ميدانية لتحديد موضع التركيب الأكثر تمثيلاً.

الرياح الظاهرية مقابل الرياح الجوية الحقيقية

ومن النقاط المهمة الأخرى أن الطائرة بدون طيار المتحركة لا تقيس تلقائيًا سرعة الرياح الجوية الحقيقية.

تجارب المستشعر تدفق الهواء النسبي.

يمكن أن يشمل تدفق الهواء هذا ما يلي:

• الرياح البيئية الفعلية
• حركة الطائرة بدون طيار للأمام
• الحركة الرأسية
• تناوب
• تدفق الهواء الناتج عن المروحة

لذلك، قد تجمع أنظمة مراقبة الرياح المتقدمة للطائرات بدون طيار بيانات مستشعرات الرياح مع المعلومات الواردة من الطائرة نفسها.

تشمل المدخلات المحتملة ما يلي:

• نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)
• اتجاه الطائرة
• بيانات وحدة القياس بالقصور الذاتي
• يقذف
• لفافة
• ياو
• السرعة الرأسية

المفهوم المبسط هو:

الرياح النسبية المقاسة
+
بيانات حركة واتجاه الطائرات بدون طيار
↓
تعويض الحركة
↓
متجه الرياح الجوية المقدر

يصبح هذا الأمر أكثر أهمية عندما يتطلب المشروع رسم خرائط دقيقة لحقل الرياح الفعلي بدلاً من مجرد تسجيل تدفق الهواء حول الطائرة.

قياس سرعة الرياح باستخدام الطائرات بدون طيار: قياس الرياح على ارتفاعات مختلفة

إحدى أقوى مزايا استشعار الرياح باستخدام الطائرات بدون طيار هي تحديد الملامح الرأسية.

بإمكان الطائرة بدون طيار أن تتسلق عبر طبقات ارتفاع مختلفة مع تسجيل بيانات الرياح بشكل مستمر.

على سبيل المثال:

10 أمتار → سرعة الرياح واتجاهها
30 متراً → سرعة الرياح واتجاهها
50 متراً → سرعة الرياح واتجاهها
100 متر → سرعة الرياح واتجاهها
150 متر → سرعة الرياح واتجاهها

وهذا يُنشئ شكلاً رأسياً للرياح.

يمكن أن تكون هذه البيانات مفيدة لدراسة ما يلي:

• طبقات الحدود الجوية
• انعكاسات حرارية
• تدفق الهواء الحضري
• المناخات المحلية الزراعية
• انتشار الملوثات
• علم الأرصاد الجوية الجبلية
• قص الرياح
• ظروف جوية طارئة

على عكس برج الأرصاد الجوية الطويل، لا تتطلب الطائرة بدون طيار بنية تحتية دائمة في كل ارتفاع قياس.

التطبيق 1: أبحاث الأرصاد الجوية على ارتفاعات منخفضة

توفر محطات الأرصاد الجوية السطحية التقليدية ملاحظات أرضية ممتازة على المدى الطويل.

توفر بالونات الأرصاد الجوية بيانات عن خصائص الغلاف الجوي، ولكنها مصممة بشكل عام لقياسات على ارتفاعات أعلى بكثير، وليست مناسبة دائمًا لإجراء مسوحات متكررة على مستوى منخفض.

تحتل الطائرات بدون طيار مكانة مثيرة للاهتمام بين هاتين الطريقتين.

بإمكانهم أخذ عينات متكررة من الطبقات السفلى للغلاف الجوي على ارتفاعات محددة.

يمكن استخدام طائرة بدون طيار مزودة بمستشعر للرياح مع:

• مستشعرات درجة حرارة الهواء
• مستشعرات الرطوبة النسبية
• مستشعرات الضغط
• أجهزة استشعار الغاز
• أجهزة استشعار الجسيمات

وهذا يسمح للباحثين بدراسة كيفية اختلاف الظروف الجوية المحلية عموديًا.

كما توفر JW-IoT أيضاً خدمات لمشاريع المراقبة الثابتة الأوسع نطاقاً. محطات الأرصاد الجوية فوق الصوتية للمراقبة المستمرة للرياح والمناخ.

التطبيق الثاني: رصد تلوث الهواء وانتشار الغازات

إن قياس تركيز الملوثات وحده غالباً ما يروي جزءاً فقط من القصة.

لنفترض أن طائرة بدون طيار رصدت تركيزًا مرتفعًا لغاز ما بالقرب من منطقة صناعية.

إجابات قياس التركيز:

ما الذي تم اكتشافه؟

تساعد معلومات الرياح في الإجابة على سؤال آخر:

إلى أين قد تتحرك الكتلة الهوائية؟

يمكن أن يدعم الجمع بين قياس الغاز وسرعة الرياح واتجاهها الدراسات التي تتضمن ما يلي:

• الانبعاثات الصناعية
• مراقبة غاز الميثان
• انتشار الدخان
• نقل الغبار
• إطلاق الغاز في حالات الطوارئ
• أبحاث جودة الهواء

هذا لا يعني أن اتجاه الرياح يحدد مصدر الانبعاث تلقائياً.

يتأثر التشتت الجوي بالاضطرابات والتضاريس والظروف الحرارية والمباني والعديد من العوامل الأخرى.

لكن قياسات الرياح توفر سياقًا بيئيًا أساسيًا لتفسير بيانات التركيز المحمولة جوًا.

التطبيق 3: فحص توربينات الرياح والطاقة المتجددة

غالباً ما تتطلب منشآت طاقة الرياح فحص ما يلي:

• شفرات التوربين
• الأبراج
• المحركات
• البنية التحتية لنقل الطاقة
• التضاريس المجاورة

يمكن للطائرات بدون طيار أن تقلل الحاجة إلى بعض أنشطة الفحص اليدوي.

عندما تتوفر معلومات الرياح على متن السفينة، يمكن للمشغلين فهم الظروف الجوية التي يواجهونها أثناء الفحص بشكل أفضل.

قد تكون بيانات الرياح مفيدة أيضاً لإجراء الدراسات الاستقصائية البحثية حول مرافق الطاقة المتجددة.

لأغراض الرصد الدائم للرياح من الأرض، يتم استخدام جهاز ثابت مستشعر سرعة واتجاه الرياح لمراقبة طاقة الرياح قد يكون هذا الخيار أكثر ملاءمة من جهاز استشعار محمول جواً.

يخدم النهجان أغراضاً مختلفة:

مستشعر ثابت: قياس مرجعي مستمر طويل الأجل.

مستشعر الطائرة بدون طيار: القياس المتنقل في مواقع أو ارتفاعات مختلفة.

التطبيق الرابع: البحوث الزراعية والزراعة الدقيقة

تؤثر الرياح على العديد من العمليات الزراعية.

وتشمل هذه:

• انجراف الرذاذ
• النتح التبخري
• تهوية المحاصيل
• نقل الحرارة
• حركة حبوب اللقاح
• انتشار الأمراض

توفر محطات الأرصاد الجوية الأرضية معلومات أساسية على مستوى الميدان.

ومع ذلك، يمكن للطائرات بدون طيار أن تساعد الباحثين في التحقق مما إذا كانت الظروف تتغير فوق أجزاء مختلفة من غطاء المحاصيل.

يمكن للطائرة المسيرة المزودة بأجهزة استشعار للأرصاد الجوية إجراء مسح لما يلي:

• البساتين
• حقول زراعية كبيرة
• كروم العنب
• المزارع
• قطع بحثية

إن الجمع بين عمليات الرصد التي تقوم بها الطائرات بدون طيار ومحطات الأرصاد الجوية الزراعية الثابتة يمكن أن ينتج عنه رؤية أكثر اكتمالاً للمناخ المحلي للحقل.

التطبيق الخامس: رصد حالات الطوارئ والكوارث

إن تركيب برج للأرصاد الجوية ليس عملياً دائماً أثناء حالات الطوارئ.

ومن الأمثلة على ذلك:

• حرائق الغابات
• الحوادث الكيميائية
• أحداث الفيضانات
• الانهيارات الأرضية
• الانفجارات الصناعية
• انبعاثات غازات خطرة

يمكن للطائرة بدون طيار أن تدخل مناطق قد تكون صعبة أو خطرة على الأفراد.

عندما يتم دمج بيانات الرياح مع الكاميرات أو أجهزة استشعار الغاز أو أدوات الرصد البيئي، يمكن لفرق الطوارئ الحصول على معلومات إضافية حول الظروف المحلية.

قد يكون هذا مفيدًا بشكل خاص عندما تتغير البيئة بسرعة.

التطبيق 6: رسم خرائط الرياح الحضرية

تُنشئ المدن تدفقات هواء معقدة.

المباني تُنتج:

• التوجيه الروحي
• مناطق الاضطراب
• الدوامات
• اضطراب
• تسارع الرياح بين الهياكل

لا يمكن لمحطة أرصاد جوية واحدة مثبتة على سطح مبنى أن تصف هذه التأثيرات المحلية بشكل كامل.

يمكن أن تساعد القياسات التي تعتمد على الطائرات بدون طيار في دراسة كيفية تغير الرياح حول:

• المباني الشاهقة
• الشوارع
• المجمعات الصناعية
• الجسور
• مواقع البناء
• المساحات المفتوحة الحضرية

قد تدعم البيانات الناتجة الأبحاث في مجال الأرصاد الجوية الحضرية، وهندسة البنية التحتية، والرصد البيئي، ودراسات المباني.

مستشعر الرياح للطائرات بدون طيار مقابل مقياس سرعة الرياح التقليدي ذي الأكواب

لكلتا طريقتي القياس مكانتهما.

لذا ينبغي أن يستند الاختيار إلى التطبيق بدلاً من افتراض أن تقنية واحدة أفضل بشكل عام.

بالنسبة لمحطة الأرصاد الجوية الدائمة، قد تظل أجهزة استشعار الرياح الميكانيكية التقليدية فعالة للغاية.

بالنسبة للمنصات المحمولة الصغيرة، فإن الوزن والحجم ومقاومة الاهتزاز والبساطة الميكانيكية تجعل تقنية الموجات فوق الصوتية جذابة بشكل خاص.

كيفية جمع بيانات الرياح بواسطة الطائرات بدون طيار

لا يمثل مستشعر الرياح سوى الجزء الأول من نظام المراقبة.

قد تبدو بنية قياس الطائرات بدون طيار الكاملة كما يلي:

مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية للطائرات بدون طيار
↓
وحدة التحكم على متن الطائرة / كمبيوتر الطيران
↓
الطابع الزمني + نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) + بيانات الوضع
↓
التخزين المحلي أو القياس عن بعد
↓
محطة أرضية / منصة سحابية
↓
تحليل خصائص الرياح أو رسم الخرائط

بحسب تصميم النظام، قد يتصل مستشعر الرياح عبر واجهة اتصال رقمية بما يلي:

• مراقبو طيران الطائرات بدون طيار
• الحواسيب المدمجة
• وحدات جمع البيانات
• وحدات تحكم مخصصة للحمولة

وبذلك يستطيع نظام الطائرة مزامنة قياسات الرياح مع الموقع والارتفاع.

يُعد هذا التزامن ذا أهمية خاصة لتطبيقات رسم الخرائط.

إن قيمة سرعة الرياح بدون موقع وارتفاع مطابقين لها قيمة محدودة في مسح الطائرات بدون طيار.

لماذا يُعدّ تزامن الوقت أمراً بالغ الأهمية؟

تخيل أن الطائرة بدون طيار تتحرك بسرعة عبر منطقة الدراسة.

إذا تم تسجيل موقع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في الساعة 10:00:01 ولكن تم تسجيل قياس الرياح بعد عدة ثوانٍ دون تزامن دقيق، فقد تمثل نقطتا البيانات موقعين مختلفين.

لذا، ينبغي أن تأخذ أنظمة المراقبة في الاعتبار ما يلي عند إجراء المسوحات عالية الدقة:

• دقة الطابع الزمني
• معدل تحديث المستشعر
• مزامنة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)
• معدل تسجيل البيانات
• زمن استجابة الاتصال

الهدف هو ربط كل قياس للأرصاد الجوية بالقيمة الصحيحة التالية:

الوقت + خط العرض + خط الطول + الارتفاع

بالنسبة للأنظمة الأكثر تطوراً، يمكن أيضاً تسجيل اتجاه الطائرة.

ما هي البيانات التي يجب تخزينها أثناء مسح الرياح باستخدام طائرة بدون طيار؟

قد تتضمن مجموعة بيانات الأرصاد الجوية المفيدة للطائرات بدون طيار ما يلي:

• الطابع الزمني
• خط العرض
• خط الطول
• ارتفاع
• سرعة الرياح
• اتجاه الرياح
• اتجاه الطائرة بدون طيار
• سرعة الأرض
• يقذف
• لفافة
• ياو

قد تشمل المعايير البيئية الاختيارية ما يلي:

• درجة حرارة الهواء
• الرطوبة النسبية
• الضغط الجوي
• تركيز الغاز
• PM2.5 / PM10
• إشعاع

ينتج عن ذلك مجموعة بيانات أكثر ثراءً بكثير من مجرد قائمة بسيطة لقياسات الرياح.

كيفية اختيار مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية للطائرات بدون طيار

عند اختيار جهاز استشعار، لا تقم بتقييم نطاق الرياح ودقته فقط.

تُعد العديد من المتطلبات على مستوى المنصة بنفس القدر من الأهمية.

وزن

ما مقدار الحمولة التي يمكن للطائرة بدون طيار أن تحملها بأمان؟

ينبغي مراعاة وزن المستشعر إلى جانب الأقواس والكابلات وأجهزة التحكم والأدوات الأخرى.

أبعاد المستشعر

هل سيتناسب المستشعر مع موضع يسمح بتدفق هواء مقبول؟

قد يوفر المستشعر الصغير مرونة أكبر في التركيب.

استهلاك الطاقة

ما هو الجهد الكهربائي المتاح من الطائرة بدون طيار؟

ما مقدار الطاقة التي يمكن أن تستهلكها الحمولة دون تقليل وقت الطيران بشكل ملحوظ؟

نطاق قياس الرياح

ينبغي أن يتوافق نطاق القياس مع الظروف البيئية المتوقعة وعمليات تشغيل الطائرات.

واجهة الإخراج

يجب أن يتصل المستشعر بوحدة التحكم الموجودة على متن المركبة أو بنظام جمع البيانات.

تأكد من كل من الواجهة المادية وبروتوكول الاتصال قبل التكامل.

معدل التحديث

قد تتطلب القياسات المتنقلة تحديثات بيانات أسرع من مراقبة الطقس التقليدية طويلة المدى.

ينبغي تحديد معدل أخذ العينات المطلوب بناءً على هدف البحث أو الهدف التشغيلي.

حماية البيئة

بحسب المهمة، قد تواجه الطائرة بدون طيار ما يلي:

• تراب
• رطوبة
• هطول أمطار خفيفة
• درجة حرارة منخفضة
• درجة حرارة عالية

ينبغي أن يكون غلاف المستشعر والإلكترونيات مناسبين لبيئة التشغيل المقصودة.

ارتفاع التشغيل

بالنسبة لعمليات المسح الجبلي أو عمليات الطائرات بدون طيار على ارتفاعات عالية، تحقق من ارتفاع التشغيل المدعوم للمستشعر والحدود البيئية.

مثال على تصميم نظام مراقبة الرياح بواسطة الطائرات بدون طيار

قد يتضمن التكوين العملي للطائرات بدون طيار البيئية ما يلي:

طبقة محمولة جوا

• منصة الطائرات بدون طيار
• مستشعر سرعة واتجاه الرياح بالموجات فوق الصوتية
• مستشعر درجة الحرارة / الرطوبة / الضغط
• مستشعر غاز أو جسيمات دقيقة اختياري
• نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ووحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU)
• وحدة تحكم الحمولة

طبقة الاتصال

• الاتصال التسلسلي
• بيانات القياس عن بعد للطائرات بدون طيار
• وصلة لاسلكية
• الاتصال الخلوي اختياري

الطبقة الأرضية

• محطة التحكم الأرضية
• برنامج مراقبة في الوقت الفعلي
• تخزين البيانات
• إدارة مهمة الطيران

طبقة التحليل

• عرض صورة جانبية للرياح
• رسم خرائط متجه الرياح
• مقارنة الارتفاع
• ارتباط المعلمات البيئية
• تصور نظم المعلومات الجغرافية

بدلاً من اختيار كل مستشعر على حدة، ينبغي على القائمين على التكامل تصميم السلسلة بأكملها بدءًا من القياس المحمول جواً وحتى تحليل البيانات النهائي.

محطة الأرصاد الجوية الثابتة أم مستشعر الرياح المحمول جواً: أيهما يجب أن تستخدم؟

في العديد من المشاريع، لا يكمن الحل في هذا الخيار أو ذاك.

يمكن للنظامين أن يكملا بعضهما البعض.

استخدم محطة الأرصاد الجوية الثابتة عندما:

• المراقبة المستمرة ضرورية
• تُعد بيانات المناخ طويلة الأجل مهمة
• يحتاج أحد المواقع إلى مراقبة دائمة
• هناك حاجة إلى قياسات مرجعية موحدة

استخدم مراقبة الرياح بواسطة الطائرات بدون طيار عندما:

• يلزم إجراء القياسات على ارتفاعات متعددة
• يصعب الوصول إلى الموقع
• يلزم إجراء مسوحات مؤقتة
• يُعد رسم خرائط الرياح المكانية أمراً مهماً
• هناك حاجة إلى حمولة بيئية متنقلة

استخدم كليهما عندما:

ومن بين البنى المعمارية المفيدة بشكل خاص ما يلي:

محطة الأرصاد الجوية الثابتة = نقطة مرجعية

مستشعر الطائرة بدون طيار = مسح رأسي/مكاني متنقل

توفر المحطة الثابتة بيانات أساسية مستمرة بينما تقوم الطائرة بدون طيار بدراسة كيفية تغير الظروف حول تلك البيانات المرجعية.

التعليمات

1. ما هو مستشعر الرياح فوق الصوتي للطائرات بدون طيار؟

مستشعر الرياح فوق الصوتي للطائرات بدون طيار هو أداة خفيفة الوزن لقياس سرعة الرياح مصممة للطائرات بدون طيار والمنصات غير المأهولة. يستخدم إشارات فوق صوتية بدلاً من الأكواب أو الريش الميكانيكية لتحديد سرعة الرياح واتجاهها.

2. لماذا يتم استخدام مقياس سرعة الرياح بالموجات فوق الصوتية على طائرة بدون طيار؟

تتميز مستشعرات الرياح فوق الصوتية بصغر حجمها وخفة وزنها وسرعة استجابتها، فضلاً عن خلوها من أجزاء القياس الدوارة. هذه الخصائص تجعلها مناسبة لمنصات الطائرات بدون طيار حيث يُعد وزن الحمولة والاهتزاز والمساحة واستهلاك الطاقة عوامل مهمة.

3. هل يمكن للطائرة بدون طيار قياس سرعة الرياح بدقة؟

نعم، لكن قياس الرياح بواسطة الطائرات المسيّرة يتطلب تصميمًا دقيقًا للنظام. فموقع المستشعر، وتدفق الهواء الناتج عن المروحة، وحركة الطائرة، واتجاهها، ووضعيتها، كلها عوامل تؤثر على القياس. وقد تتطلب التطبيقات التي تستلزم قياس الرياح الجوية الحقيقية تعويض الحركة والمعايرة.

4. هل يؤثر مروحة الطائرة بدون طيار على قياسات الرياح؟

نعم. تُولّد مراوح الطائرات متعددة المراوح تدفقًا واضطرابًا كبيرين للهواء. يجب وضع مستشعر الرياح بحيث يقلل من هذا التداخل قدر الإمكان.

5. هل يمكن لجهاز استشعار الرياح في الطائرة بدون طيار إنشاء صورة عمودية للرياح؟

نعم. يمكن للطائرة بدون طيار قياس سرعة الرياح واتجاهها أثناء صعودها عبر مستويات ارتفاع مختلفة، مما يسمح للباحثين ببناء ملف تعريف رأسي للرياح على ارتفاع منخفض.

6. هل يمكن استخدام مراقبة الرياح بواسطة الطائرات بدون طيار في دراسات تلوث الهواء؟

نعم. يمكن أن توفر معلومات الرياح سياقًا مفيدًا لتفسير قياسات الغازات أو الجسيمات المحمولة جوًا لأن انتقال الملوثات يتأثر بشدة بتدفق الهواء.

7. هل مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية للطائرات بدون طيار أفضل من مقياس سرعة الرياح ذي الأكواب؟

ليس في كل التطبيقات. لا تزال مقاييس سرعة الرياح الكأسية فعالة للعديد من محطات الأرصاد الجوية الثابتة. وتُعدّ أجهزة الاستشعار فوق الصوتية جذابة بشكل خاص للمنصات المتنقلة نظرًا لصغر حجمها وعدم احتوائها على أجزاء قياس ميكانيكية دوارة.

8. ما المعلومات التي يجب تسجيلها مع بيانات الرياح الخاصة بالطائرات بدون طيار؟

بالنسبة لتطبيقات رسم الخرائط، من الأفضل مزامنة بيانات الرياح مع الطابع الزمني وموقع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والارتفاع، وعند الضرورة مع معلومات اتجاه واتجاه الطائرة بدون طيار.

من مستشعر الرياح إلى منصة الأرصاد الجوية المحمولة جواً

القيمة الحقيقية لـ مستشعر الرياح بالموجات فوق الصوتية للطائرات بدون طيار الأمر لا يقتصر فقط على قياس الرياح بواسطة طائرة بدون طيار.

تكمن قيمتها الأكبر في تمكين القياسات المناخية من التحرك عبر الفضاء ثلاثي الأبعاد.

تجيب محطة ثابتة:

ما الذي تفعله الرياح هنا؟

يمكن لنظام مراقبة الطائرات بدون طيار أن يقوم بالتحقيق في:

ما الذي تفعله الرياح هنا، على هذا الارتفاع، في هذه اللحظة؟

يفتح هذا التمييز الباب أمام تطبيقات في أبحاث الغلاف الجوي، والرصد البيئي، والتفتيش الصناعي، والزراعة، والاستجابة للطوارئ، والأرصاد الجوية الحضرية، والطاقة المتجددة.

بالنسبة لشركات تكامل الأنظمة ومصنعي الطائرات بدون طيار، فإن نجاح عملية النشر يعتمد على أكثر من مجرد اختيار جهاز استشعار بنطاق الرياح الصحيح.

ينبغي أن يراعي المشروع بأكمله ما يلي:

• وزن المستشعر
• استهلاك الطاقة
• موقع التركيب
• تداخل تدفق الهواء في الدوار
• حركة الطائرة
• مزامنة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ووحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU)
• واجهات الاتصال
• تسجيل البيانات
• حماية البيئة
• متطلبات التحليل النهائي

عند تصميم هذه العناصر معًا، يمكن أن تصبح طائرة بدون طيار صغيرة منصة مرنة لرصد الرياح على ارتفاعات منخفضة والرصد البيئي.

هل تحتاج إلى إعداد نظام مراقبة الرياح باستخدام الطائرات بدون طيار؟

توفر شركة JW-IoT أجهزة استشعار الرياح بالموجات فوق الصوتية وأجهزة مراقبة البيئة المدمجة لتطبيقات الطائرات بدون طيار والأرصاد الجوية والصناعية وتطبيقات إنترنت الأشياء.

بالنسبة للمشاريع التي تعتمد على الطائرات بدون طيار، يمكن تقييم التكوين وفقًا لما يلي:

• نوع الطائرة بدون طيار
• الحمولة القصوى
• نطاق الرياح المطلوب
• موضع التركيب
• مزود الطاقة
• واجهة الاتصال
• معدل أخذ العينات المطلوب
• ارتفاع الطيران
• معايير الأرصاد الجوية الإضافية
• متطلبات المحطة الأرضية أو منصة البيانات

استكشف مستشعر سرعة واتجاه الرياح بالموجات فوق الصوتية للطائرات بدون طيار أو اتصل بشركة JW-IoT وقدم مواصفات منصة الطائرات بدون طيار الخاصة بك لمناقشة تكوين مناسب لمراقبة الرياح المحمولة جواً.