Wie ein WindShaper funktioniert

 

Von Lauren Nagel

WindShapers sind die neueste Technologie für aerodynamische Drohnentests, aber was genau sind sie? Die Begriffe „Open-Air-Windkanal“, „Windgenerator“ und „3D-Windströmungsgenerator“ sind alle zutreffend, fangen aber nicht vollständig ein, was der WindShaper leisten kann.

In diesem Artikel erklären wir, was ein WindShaper ist, wie er funktioniert und warum er eine Verbesserung gegenüber anderen Drohnentesttechnologien darstellt. Hier ist ein Überblick:

Inhaltsverzeichnis

1. Was ist ein WindShaper (Konzept und Aufbau)
2. Steuerung des WindShapers
3. Welche Arten von Windströmungen kann ich erzeugen?
4. Vorteile und Nachteile
5. Kompatible Systeme (Antriebstests, Neigungsmechanismus usw.)

Abbildung 1: Eine Drohne mit starrem Flügel fliegt vor einem 12 x 8-moduligen WindShaper

1. Was ist ein WindShaper

Die Hauptkomponente eines WindShapers ist seine Hauptwand aus Lüftern, die Windprofile für Drohnentests unter verschiedenen Bedingungen erzeugt. Zu den möglichen Testarten gehören Windwiderstandstests, Freiflugtests und viele weitere.

WindShaper sind sehr modular aufgebaut, da sie aus Basiseinheiten bestehen, sogenannten „Windmodulen“, die beliebig gestapelt und kombiniert werden können. Die Größe des WindShapers wird durch die Anzahl der enthaltenen Module angegeben, d. h. ein 6 x 3 WindShaper ist 6 Module breit und 3 Module hoch.

Jedes Windmodul misst etwa 25 x 25 cm und enthält 9 einzelne Windpixel. Jedes Windpixel wird einzeln gesteuert und enthält zwei Lüfter. Je nach Größe des WindShapers können die Lüfter eine Windgeschwindigkeit von bis zu 16 m/s (36 mph) oder mit einem Konvergentor bis zu 45 m/s (100 mph) erzeugen.

Abbildung 2: Ein 2 x 2 WindShaper mit beschriftetem Windmodul und Windpixel

Jeder Lüfter kann hinsichtlich Geschwindigkeit und Timing einzeln programmiert werden, sodass der Benutzer 3D-Windprofile erstellen kann. Wir werden dies in Abschnitt 3 näher besprechen.

Zusätzlich zur Hauptwand aus Lüftern (1) können Benutzer Seitenwände (2) hinzufügen, um Querneigungswinde zu erzeugen, Ecken zu simulieren und die Testmöglichkeiten zu erweitern. Zu den weiteren Hauptkomponenten gehören die Stromverteilerkästen (3) und der Onboard-Computer (4), die alle in Abbildung 3 unten zu sehen sind.

Abbildung 3: Der Aufbau eines WindShapers

Wie Sie wahrscheinlich bemerkt haben, gibt es WindShaper in allen Formen und Größen – einige passen auf Ihren Schreibtisch, während andere einen eigenen Laborraum benötigen.

2. Steuerung des WindShapers

Der WindShaper wird mit der WindControl-Software gesteuert, deren Benutzeroberfläche unten abgebildet ist (Abbildung 4). Die PWM-Legende ganz rechts zeigt die bereitgestellte Leistung an, und jedes blassblaue Quadrat repräsentiert ein einzelnes Windpixel (Lüftereinheit). Die Lüfter des Geräts bestehen aus zwei Lagen gegeneinander rotierender Rotoren, sogenannten Lüfterlagen. Standardmäßig sind beide Lagen auf die gleiche Geschwindigkeit oder den gleichen PWM-Wert eingestellt. Dies erzielt die beste Leistung und den geringsten Wirbelgrad, aber bei Bedarf können die Lüfterlagen unabhängig voneinander gesteuert werden. 

Bei diesem speziellen WindShaper gibt es eine Hauptwand mit einer Breite von 12 Modulen und einer Höhe von 8 Modulen sowie zwei Seitenwände mit einer Größe von 2 Modulen mal 8 Modulen, was Ihnen insgesamt 1008 Windpixel oder 2016 einzeln steuerbare Lüfter bietet. Alle drei Wände können gleichzeitig entweder manuell oder über die fortschrittliche Python-API gesteuert werden.

Abbildung 4: Die WindControl-Softwareoberfläche

Die manuelle Steuerung der Wand ist so einfach wie die Eingabe von Geschwindigkeitswerten für einzelne Pixel (oder Pixelgruppen), die sofort aktiviert werden. Wenn der Benutzer die Leistung einer Pixelgruppe ändern möchte, wählt er einfach diese Pixel aus und gibt einen neuen Wert ein, was eine dynamische Steuerung des WindShapers ermöglicht. Sie können auch eine mathematische Funktion eingeben, damit das Gerät jedes beliebige stationäre oder zeitvariable Windprofil reproduziert.

Mit dem Gerät wird auch eine Python-API bereitgestellt, die es dem Benutzer ermöglicht, automatisierte Tests zu programmieren. Der Windfluss wird im Voraus entworfen und läuft ohne Eingriff unabhängig ab. Dies ermöglicht es dem Benutzer, sich auf die Steuerung des Fluggeräts / Profils oder die Beobachtung des Tests zu konzentrieren. Die Python-API ermöglicht es Benutzern auch, komplexere Strömungen zu erzeugen und den WindShaper direkt mit anderen Systemen (Drohne, Tracking-Kameras, angeschlossene Sonden usw.) zu verbinden.

Nach Abschluss der Tests können die Daten jedes Windmoduls in einen ZIP-Ordner auf dem Heimcomputer ausgegeben werden, der zeitgestempelte Informationen über die Leistung und den Status des WindShapers enthält.

3. Welche Arten von Windströmungen kann ich erzeugen?

Mit einem WindShaper können Sie eine Reihe von Windsituationen erzeugen, sowohl konstante als auch zeitvariable. Hier sind einige der grundlegenden Kategorien von Windströmungen, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können.

Konstante Strömung

Diese Einstellung ahmt die konstante Strömung nach, die Sie höchstwahrscheinlich in einem herkömmlichen Windkanal sehen, was großartig ist, um die Aerodynamik einer Drohne zu bewerten. Eine konstante Bedingung wird erzeugt, indem die Strömungsgeschwindigkeit des WindShapers auf die Geschwindigkeit eingestellt wird, mit der die Drohne in ruhender Luft fliegen würde, während die Drohne ihre Position über dem Boden beibehält. In diesem Szenario entspricht die von der Drohne wahrgenommene relative Windgeschwindigkeit der Geschwindigkeit, mit der die Drohne fliegen würde. Ein Strömungsgleichrichter kann verwendet werden, um eine Windströmung mit einem geringeren Turbulenzgrad zu erreichen.

Abbildung 5: Eine Drohne, die in konstanter Strömung fliegt

Turbulente Strömung

Turbulente Strömung ist ideal, um die Bedingungen zu simulieren, denen eine Drohne aufgrund von Wetter und Topografie in ihrer Arbeitsumgebung wahrscheinlich ausgesetzt ist. In der Höhe, in der Drohnen normalerweise fliegen, ist es unwahrscheinlich, dass sie eine laminare Strömung erleben. In dieser Testumgebung kann der Turbulenzgrad durch die Modulation der Leistung gesteuert werden, die an jedes Windpixel geliefert wird. Der Turbulenzgrad kann über den gesamten WindShaper gleich oder in jedem Abschnitt des Testbereichs unterschiedlich sein. 

Abbildung 6: Eine Drohne, die in turbulenten Windbedingungen fliegt

Scherströmung

Der Begriff „Scherströmung“ beschreibt ein Windprofil, bei dem benachbarte Flüssigkeitsschichten parallel zueinander mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fließen. Dies kann zu Strömungsinstabilitäten in der Nähe von Wänden, Vegetation oder in Regionen mit merklichen thermischen Effekten führen. Dies kann simuliert werden, indem die Windpixel auf einem Lüfterfeld auf eine langsame Windgeschwindigkeit eingestellt werden und die Windpixel auf einem benachbarten Lüfterfeld auf eine höhere Windgeschwindigkeit eingestellt werden. Diese Technologie ermöglicht es Benutzern auch, eine Grenzschicht ohne die Verwendung herkömmlicher Grenzschichtgeneratoren wie Rauheitsblöcke oder Spitzen zu erzeugen, die in herkömmlichen Windkanälen zu finden sind.

Abbildung 7: Eine Gruppe von Drohnen, die in einer Umgebung mit Windscherung fliegen

Zeitvariable Strömung

Mit zeitvariablen Strömungen können Sie einzigartige Windprofile erstellen, indem Sie die Windgeschwindigkeit jedes Windpixels im Laufe der Zeit ändern. Ein bestimmtes Windpixel kann mit 2 m/s beginnen, auf 10 m/s ansteigen, dann wieder auf 2 m/s zurückkehren und so weiter. Mit diesem Maß an Kontrolle können Sie Windströmungen erzeugen, die reale Flugbedingungen simulieren, wie ein Fahrzeug, das an einer Drohne vorbeifährt (Abbildung 8). 

Abbildung 8: Die von einer Drohne erlebte Windgeschwindigkeit ändert sich, während sie hinter einem Lkw fliegt

Windböen

Plötzliche Änderungen der Windgeschwindigkeit (Böen) können für eine Drohne eine Herausforderung bei der Navigation darstellen. Böen können durch schnelle Änderungen der Windgeschwindigkeit durch die Windpixel simuliert werden. Dies ermöglicht es Ihnen, die Verschiebung oder den Widerstand einer Drohne gegen Böen sowie die Reaktionsfähigkeit des Flugcontrollers zu untersuchen. Das Hinzufügen zusätzlicher Seitenwände zum WindShaper ist eine weitere Möglichkeit, Böen und Querneigungswinde zu simulieren.

Abbildung 9: Eine Drohne erlebt eine Windböe, während sie um ein Gebäude fliegt

Vertikaler Wind / Optimierung der Landephase

Beim Landen erleben Drohnen einen von unten kommenden relativen Wind, der durch ihre eigene Abströmung (Downwash) verursacht wird, was zu einer instabilen Situation führt. Um diese Situation zu simulieren, wird der WindShaper horizontal platziert und erzeugt eine Windströmung, die dem Downwash der Drohne entspricht.

Abbildung 10: Eine Drohne übt Starten und Landen

Wie Sie sehen können, gibt es eine große Vielfalt an Windströmungen, die Sie mit diesen WindShapers erzeugen können, und dieser Artikel deckt sie nicht einmal alle ab. Wenn Sie eine bestimmte Art von Test im Sinn haben, kontaktieren Sie unsere Vertriebsabteilung, um zu sehen, ob es möglich ist. 

4. Vorteile und Nachteile

Es gibt mehrere Vorteile und Nachteile bei der Arbeit mit einem WindShaper für Drohnentests und -validierungen. Hier sind einige der wichtigsten:

Vorteile

• Steuerbarkeit und Wiederholbarkeit von Tests: Wenn Sie einen Testflug im Freien durchführen, können Wetter und Wind unvorhersehbar sein, was es schwierig macht, wiederholbare Ergebnisse zu erzielen. Mit einem WindShaper können Sie Ihre Windbedingungen programmieren, um den gleichen Test immer wieder durchzuführen.
• Bequemlichkeit: Der WindShaper ist auf Rädern, sodass er leicht bewegt und an der benötigten Stelle positioniert werden kann. Dank seiner kompakten Form nimmt er auch sehr wenig Lagerplatz ein.
• Großer Testbereich: das modulare Design des WindShapers bedeutet, dass Sie einen Testbereich in der benötigten Größe aufbauen können. Dies ermöglicht es Ihnen, Flugzeuge in voller Größe oder sogar mehrere Flugzeuge zu testen, um Formationenflug zu testen.
• Zeitvariable Strömungen: da jedes Windpixel einzeln gesteuert wird, ist es möglich, zeitvariable Strömungen über den Testbereich zu erzeugen, was mit einem einzelnen Lüfter in einem herkömmlichen Windkanal nicht möglich ist. Dies eröffnet die Möglichkeit, komplexe atmosphärische Strömungen zu replizieren, die sich sowohl in der Zeit als auch im Raum ändern.
• Freiflugtests: das Design des WindShapers bietet genügend Platz, damit die Drohne vor ihm fliegen kann, während sie sich innerhalb der programmierten Windströmung befindet. Dies steht im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Windkanälen, die erfordern, dass die Drohne im Tunnel stationär oder irgendwie gebunden ist.
• Unbegrenzte Testmöglichkeiten: da jedes Windpixel einzeln gesteuert wird, gibt es nahezu unbegrenzte Testmöglichkeiten, einschließlich Variationen von Turbulenzen, Böen, thermischen Effekten und mehr
• Horizontale und vertikale Tests in einem: mit der zusätzlichen Neigungsfähigkeit des WindShapers kann er sowohl als horizontale als auch als vertikale Windquelle verwendet werden. Mit einem herkömmlichen Windkanal würde dies den Bau von zwei separaten Einrichtungen erfordern.
• Gleichmäßigkeit auf Abruf: die Strömungsgleichmäßigkeit kann mit Software angepasst werden, um ein perfekt flaches Profil über den Testabschnitt zu gewährleisten, anders als bei herkömmlichen Windkanälen.

Abbildung 11: Testen eines Quadcopters mit einem 8 x 8 WindShaper

Nachteile

• Die Windgeschwindigkeit ist begrenzt: WindShaper-Windwände ermöglichen eine maximale Windgeschwindigkeit von 20 m/s (45 mph) oder bis zu 58 m/s (130 mph) mit einem Konvergentor. Während dies für die Tests der meisten Drohnen geeignet ist, erreicht es keine transsonischen oder Überschallgeschwindigkeiten.
• Turbulenzgrad: im Vergleich zu Windkanälen in Flugzeugbauqualität ist die Turbulenzintensität eines WindShapers nicht so niedrig (etwa 5 %). Aber ein optionaler Strömungsfilter (siehe Abschnitt 5) kann verwendet werden, um den Turbulenzgrad auf unter 1 % zu senken.
• Lärm: aufgrund ihrer kleinen Lüfter erzeugen WindShaper im Vergleich zu herkömmlichen Windkanälen einen hochfrequenten Lärm. Aber da dieser Lärm hochfrequent ist, wird er sich nicht so weit ausbreiten und kann leicht durch eine Betonwand oder ein Paar Ohrstöpsel gestoppt werden (im Vergleich zu anderen großen Windkanälen, die ein ganzes Gebäude zum Wackeln bringen können und Dämpfer benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren).

5. Kompatible Systeme

Der WindShaper verfügt über mehrere ergänzende Systeme, die Ihre Drohnentests verbessern können. Kontaktieren Sie unser Vertriebsteam für weitere Informationen zu einem dieser Add-ons: 

Antriebsteststand

WindShaper können mit einem Messprüfstand kombiniert werden, damit Sie Leistungsdaten aufzeichnen können, während Ihr Antriebssystem verschiedenen Windbedingungen ausgesetzt ist. Die 2 x 2 WindShaper Station wurde speziell für diese Anwendung entwickelt und ermöglicht es Ihnen, Motoren und Propeller zu testen, die bis zu 5 kgf Schub erzeugen und bis zu 16 Zoll im Durchmesser haben.

Abbildung 12: Eine 2 x 2 WindShaper Station

Sie können auch einen größeren Teststand mit einem maßgefertigten WindShaper für größere Drohnen verwenden. Zum Beispiel ist der Flight Stand in zwei Größen erhältlich, um 15 oder 50 kgf Schub für Einzel- oder koaxiale Motoraufbauten zu messen.

Mit einem Schubkraftprüfstand können Sie den Schub, das Drehmoment, die Drehzahl, die Leistung und den Wirkungsgrad Ihres Systems in jeder Phase des Fluges messen.

Konvergenter Düsenaufsatz

Mit einem konvergenten Düsenaufsatz können Sie die maximale Windgeschwindigkeit von 16 m/s (36 mph) auf bis zu 45 m/s (100 mph) erhöhen. Der konvergente Düsenaufsatz wird an der Vorderseite des WindShapers angebracht und leitet Hochgeschwindigkeitsluft durch einen geschlossenen Testbereich. Beachten Sie, dass dieses Gerät je nach Größe des WindShapers die Größe Ihres Testbereichs verringert. Durch das Hinzufügen eines divergenten Düsenaufsatzes nach dem Testbereich (wie in Abbildung 14) kann die Windgeschwindigkeit weiter auf über 55 m/s (135 mph) erhöht werden.

Strömungsfilter / Turbulenzerduktion

Ein Strömungsfilter kann Ihrem WindShaper hinzugefügt werden, um unerwünschte Turbulenzen zu reduzieren und eine geringe Turbulenzintensität sicherzustellen. Diese Funktion gewährleistet eine gleichmäßige Luftströmung und ist eine hervorragende Option für traditionellere aerodynamische Tests mit Kraft- oder Druckmessungen, die von einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis profitieren können.

Abbildung 15: Ein 6 x 3 WindShaper mit einem Filter zur Reduzierung von Turbulenzen

Kippmechanismus

Das Kippmechanismus-Add-on ermöglicht es Ihnen, Ihren WindShaper um 90 Grad zu drehen, sodass er vertikal stehen oder horizontal liegen kann. Dies ist eine hervorragende Einrichtung zur Simulation der Auswirkungen von Thermik und Bodeneffekten sowie zum Üben von Landungen unter verschiedenen Bedingungen. Es ist nicht nur ein Werkzeug zur Messung der Leistung Ihrer Drohne, sondern ermöglicht Ihren Piloten auch, ihre Fähigkeiten zu verfeinern.

Fazit

Wenn Sie noch Fragen haben, hinterlassen Sie uns unten einen Kommentar und wir werden uns auf jeden Fall bei Ihnen melden.

Wenn Sie daran interessiert sind, einen WindShaper zu kaufen, können Sie bei unserem Vertriebsteam ein Angebot anfordern.