Ny vindsensor bruger smarte materialer til at forbedre drones ydeevne

Ingeniører har designet og med succes testet en mere effektiv vindsensor til brug på droner, balloner og andre autonome fly.

Disse vindsensorer - kaldet vindmålere - bruges til at overvåge vindhastighed og retning. Efterhånden som efterspørgslen efter autonome fly stiger, er der behov for bedre vindsensorer for at gøre det lettere for disse køretøjer både at mærke vejrændringer og udføre sikrere starter og landinger, ifølge forskere.

Sådanne forbedringer kan forbedre, hvordan folk bruger deres lokale luftrum, uanset om det er gennem droner, der leverer pakker eller passagerer, der en dag flyver på ubemandede fly, sagde Marcelo Dapino, medforfatter af undersøgelsen og professor i mekanisk og rumfartsteknik ved Ohio State University .

"Vores evne til at bruge luftrummet til at flytte eller transportere ting på en effektiv måde har enorme samfundsmæssige konsekvenser," sagde Dapino. "Men for at betjene disse flyvende objekter skal præcise vindmålinger være tilgængelige i realtid, uanset om køretøjet er bemandet eller ubemandet." Udover at hjælpe luftobjekter med at krydse lange afstande, er nøjagtige vindmålinger også vigtige for energiprognoser og optimering af vindmøllers ydeevne, sagde han.

Deres forskning blev offentliggjort i tidsskriftet Grænser i materialer .

Konventionelle vindmålere varierer i, hvordan de indsamler deres data, men alle har begrænsninger, sagde Dapino. Fordi vindmålere kan være dyre at lave, forbruger store mængder energi og har et højt aerodynamisk modstand – hvilket betyder at instrumentet modarbejder flyets bevægelse gennem luften – er mange typer dårligt egnede til små fly. Men Ohio State-holdets vindmåler er let, lavenergi, lavt træk og mere følsomt over for ændringer i tryk end konventionelle typer.

Leon Headings, medforfatter af undersøgelsen og seniorforsker i mekanisk og rumfartsteknik ved Ohio State, sagde, at instrumentet var fremstillet af smarte materialer - stof med egenskaber, der kan kontrolleres, hvilket gør dem i stand til at fornemme og reagere på deres miljø. Holdet brugte en elektrisk polymer kaldet polyvinylidenfluorid (PVDF). Brugt flittigt i arkitektoniske belægninger og lithium-ion-batterier kan PVDF være piezoelektrisk, hvilket betyder, at det producerer elektrisk energi, når der påføres et tryk på det. Denne energi kan bruges til at drive enheden. Den målte spænding eller ændring i kapacitans af et stykke fleksibel PVDF-film kan korreleres med vindhastigheden.

PVDF-sensoren er indbygget i en bæreflade, der ligner en flyvinge, hvilket reducerer aerodynamisk modstand. Fordi aerofolien er fri til at rotere som en vindfløj, kan den bruges til at måle vindens retning.

Men for at teste, hvordan deres enhed ville klare sig, når de blev udsat for Jordens atmosfære, designede forskere et tostrenget eksperiment. Først blev tryksensoren testet i et forseglet kammer for at bestemme dens følsomhed. Derefter blev sensoren indbygget i en bæreflade og testet i en vindtunnel. Resultaterne viste, at sensoren måler både tryk og vindhastighed særdeles godt. Et lille digitalt magnetometerkompas integreret i bærefladen giver præcise vindretningsdata ved at måle bærebladets absolutte orientering i forhold til Jordens magnetfelt.

Men der skal forskes mere for at flytte vindsensorkonceptet fra et kontrolleret forskningsmiljø til kommercielle applikationer. Da hans team fortsætter med at arbejde med PVDF og andre avancerede materialer for at forbedre sensorteknologien, håber Dapino, at deres arbejde i sidste ende vil føre til teknologi, der kan bruges uden for fly, såsom til vindmøller til ren, effektiv og let tilgængelig energi til offentlig.

"Dette er meget avancerede materialer, og de kan bruges i mange applikationer," sagde Dapino. "Vi vil gerne bygge videre på disse applikationer for at bringe kompakt vindenergiproduktion til hjemmet." + Udforsk yderligere

Neurale netværk bruges til at forbedre ydeevnen af ​​vindmøller med høj effekt