Ingenjörer har designat och framgångsrikt testat en mer effektiv vindsensor för användning på drönare, ballonger och andra autonoma flygplan.

Dessa vindsensorer – kallade vindmätare – används för att övervaka vindhastighet och vindriktning. När efterfrågan på autonoma flygplan ökar behövs bättre vindsensorer för att göra det lättare för dessa fordon att både känna av väderförändringar och utföra säkrare starter och landningar, enligt forskare.

Sådana förbättringar kan förbättra hur människor använder sitt lokala luftrum, oavsett om det är genom drönare som levererar paket eller passagerare som en dag flyger på obemannade flygplan, säger Marcelo Dapino, medförfattare till studien och professor i mekanisk och rymdteknik vid Ohio State University .

"Vår förmåga att använda luftrummet för att flytta eller transportera saker på ett effektivt sätt har enorma samhälleliga konsekvenser", sa Dapino. "Men för att manövrera dessa flygande objekt måste exakta vindmätningar vara tillgängliga i realtid oavsett om fordonet är bemannat eller obemannat." Förutom att hjälpa luftobjekt att korsa långa avstånd, är noggranna vindmätningar också viktiga för energiprognoser och för att optimera prestanda hos vindturbiner, sa han.

Deras forskning publicerades i tidskriften Frontiers in Materials .

Konventionella vindmätare varierar i hur de samlar in sina data, men alla har begränsningar, sa Dapino. Eftersom vindmätare kan vara dyra att tillverka, förbruka stora mängder energi och ha ett högt aerodynamiskt motstånd – vilket innebär att instrumentet motverkar flygplanets rörelse genom luften – är många typer illa lämpade för små flygplan. Men Ohio State-lagets vindmätare är lätt, energisnål, låg luftmotstånd och känsligare för tryckförändringar än konventionella typer.

Leon Headings, medförfattare till studien och senior forskarassistent inom mekanisk och rymdteknik vid Ohio State, sa att instrumentet var tillverkat av smarta material - materia med egenskaper som kan kontrolleras, vilket gör det möjligt för dem att känna av och reagera på sin miljö. Teamet använde en elektrisk polymer som heter polyvinylidenfluorid (PVDF). Används flitigt i arkitektoniska beläggningar och litiumjonbatterier, PVDF kan vara piezoelektrisk, vilket innebär att den producerar elektrisk energi när ett tryck appliceras på den. Denna energi kan användas för att driva enheten. Den uppmätta spänningen eller kapacitansändringen för en bit flexibel PVDF-film kan korreleras med vindhastigheten.

PVDF-sensorn är inbyggd i en bäryta, liknande en flygplansvinge, vilket minskar det aerodynamiska motståndet. Eftersom bärytan är fri att rotera som en vindflöjel kan den användas för att mäta vindens riktning.

Men för att testa hur deras enhet skulle klara sig en gång utsatt för jordens atmosfär, designade forskare ett tvådelat experiment. Först testades trycksensorn i en förseglad kammare för att bestämma dess känslighet. Sedan inkorporerades sensorn i en bäryta och testades i en vindtunnel. Resultaten visade att sensorn mäter både tryck och vindhastighet extremt bra. En liten digital magnetometerkompass integrerad i bärytan ger exakta vindriktningsdata genom att mäta bärytans absoluta orientering i förhållande till jordens magnetfält.

Men mer forskning behöver göras för att flytta vindsensorkonceptet från en kontrollerad forskningsmiljö till kommersiella tillämpningar. Eftersom hans team fortsätter att arbeta med PVDF och andra avancerade material för att förbättra sensorteknologin, hoppas Dapino att deras arbete så småningom kommer att leda till teknik som kan användas utanför flygplanen, såsom vindkraftverk för ren, effektiv och lättillgänglig energi för offentliga.

"Detta är mycket avancerade material och de kan användas i många applikationer", säger Dapino. "Vi skulle vilja bygga vidare på dessa applikationer för att få kompakt vindenergiproduktion till hemmet." + Utforska vidare

Neurala nätverk som används för att förbättra prestanda hos vindkraftverk med hög effekt