近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)航空創(chuàng)新實驗室團隊在無人機氣流傳感器領(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際需求。針對這些挑戰(zhàn)，團隊開展了深入研究，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。

　　團隊研發(fā)的新型氣流傳感器采用獨特的多邊形棱柱結(jié)構(gòu)設(shè)計，這一設(shè)計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)的對比仿真實驗發(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)。基于此研究成果，團隊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)新點之一是運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推算氣流速度和方向。科研團隊自主設(shè)計并搭建了小型吸入直排式風(fēng)洞實驗裝置，采集了大量的氣流速度、方向和氣壓數(shù)據(jù)，共計87,501組樣本。利用這些豐富的數(shù)據(jù)，團隊持續(xù)訓(xùn)練與改進高效神經(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，從而實現(xiàn)對氣流速度和方向的精確推算。實驗結(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°，其精度達到了行業(yè)領(lǐng)先水平，遠遠優(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，能夠在長時間內(nèi)穩(wěn)定運行，減少了能源消耗和維護成本。同時，傳感器的氣流速度和方向采樣率高達16Hz，可實現(xiàn)高時間分辨率的氣流測量，能夠及時捕捉氣流的細微變化，為實時監(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，除了農(nóng)用航空，還將在多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在氣象監(jiān)測領(lǐng)域，搭載無人機能夠提供高空動態(tài)更為準(zhǔn)確的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù)，助力氣象預(yù)報的精準(zhǔn)性提升；在環(huán)境科學(xué)研究中，搭配實驗室開發(fā)的霧滴傳感器則可用于監(jiān)測大氣流動和污染物擴散，特別應(yīng)用于植保無人機的霧滴漂移數(shù)據(jù)，為環(huán)境保護提供數(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)自動化生產(chǎn)線上，能夠?qū)崟r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、家畜等動物的呼吸氣流數(shù)據(jù)。

文圖/工程學(xué)院 劉東