近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)航空創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在無人機(jī)氣流傳感器領(lǐng)域取得創(chuàng)新成果,，成功研發(fā)出一種基于壓差測量的小型全方位智能氣流傳感器,，為低空飛行器的氣流測量領(lǐng)域帶來了新的技術(shù),，相關(guān)研究成果已在測量領(lǐng)域top學(xué)術(shù)期刊Measurement（中科院二區(qū)）發(fā)表,。
在眾多行業(yè)中,，氣流速度和方向的精確測量對于生產(chǎn)效率,、質(zhì)量控制以及安全保障等方面具備關(guān)鍵意義,。然而,，現(xiàn)有的氣流測量儀器往往存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、成本高昂、體積較大以及測量精度和分辨率不足等問題,，難以滿足日益增長的實(shí)際需求,。針對這些挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)開展了深入研究,，致力于開發(fā)一種更為高效,、精準(zhǔn)且小型化的氣流傳感器。
團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型氣流傳感器采用獨(dú)特的多邊形棱柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，這一設(shè)計(jì)靈感來源于對柱體繞流特性的深入研究,。通過與傳統(tǒng)圓柱結(jié)構(gòu)的對比仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),，在相同風(fēng)速條件下，多邊形棱柱在2-0m/s風(fēng)速范圍內(nèi)的壓差絕對值更大,，對風(fēng)速變化的響應(yīng)更為靈敏,，從而為高精度的氣流測量提供了更有利的理論基礎(chǔ)?；诖搜芯砍晒?，團(tuán)隊(duì)成功打造出整體外形尺寸僅為13mm×13mm×9mm的氣流傳感器，其小巧的體積在同類產(chǎn)品中極具競爭力,，為在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度氣流測量提供了可能,。
這款傳感器的核心創(chuàng)新點(diǎn)之一是運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推算氣流速度和方向?？蒲袌F(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)并搭建了小型吸入直排式風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置,，采集了大量的氣流速度、方向和氣壓數(shù)據(jù),，共計(jì)87,501組樣本,。利用這些豐富的數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)持續(xù)訓(xùn)練與改進(jìn)高效神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,，該模型能夠精準(zhǔn)地學(xué)習(xí)和擬合氣流參數(shù)與氣壓分布之間的復(fù)雜關(guān)系,，從而實(shí)現(xiàn)對氣流速度和方向的精確推算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，在2 - 12m/s的風(fēng)速測量范圍內(nèi),，該傳感器的平均風(fēng)速測量誤差僅為0.20m/s，平均風(fēng)向測量誤差低至0.74°,，其精度達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先水平,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)測量方法。
此外,，該傳感器具備了低功耗的優(yōu)勢,，其功耗小于1.2mW，能夠在長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行,，減少了能源消耗和維護(hù)成本,。同時(shí)，傳感器的氣流速度和方向采樣率高達(dá)16Hz,，可實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率的氣流測量,，能夠及時(shí)捕捉氣流的細(xì)微變化，為實(shí)時(shí)監(jiān)測和精準(zhǔn)控制提供了有力支持,。
該氣流傳感器憑借其卓越性能和創(chuàng)新設(shè)計(jì),，除了農(nóng)用航空，還將在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,。在氣象監(jiān)測領(lǐng)域,，搭載無人機(jī)能夠提供高空動(dòng)態(tài)更為準(zhǔn)確的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù),，助力氣象預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)性提升；在環(huán)境科學(xué)研究中,，搭配實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的霧滴傳感器則可用于監(jiān)測大氣流動(dòng)和污染物擴(kuò)散,，特別應(yīng)用于植保無人機(jī)的霧滴漂移數(shù)據(jù)，為環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持,；在航空航天領(lǐng)域,，其高可靠性和高精度的測量能力有助于低空飛行器的性能優(yōu)化和安全保障；在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線上,，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測氣流參數(shù),，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,；在微弱氣流檢測領(lǐng)域,，能夠有效監(jiān)測人、家畜等動(dòng)物的呼吸氣流數(shù)據(jù),。
文圖/工程學(xué)院 劉東
