WindShapers是无人机气动测试的最新技术，但它们究竟是什么？“开放式风洞”、“风机”和“3D风场生成器”这些术语都比较准确，但都无法完全体现 WindShaper 的功能。
本文将介绍 WindShaper 是什么、其工作原理，以及它相比其他无人机测试技术有哪些改进。以下是概述：
目录
- 什么是 WindShaper（概念与结构）
- 如何控制 WindShaper
- 我可以生成哪些类型风场？
- 优缺点
- 兼容系统（动力系统测试、倾斜机构等）
图 1：固定翼无人机在 12 × 8 模块 WindShaper 前飞行
1. 什么是 WindShaper
WindShaper 的关键组件是其主要风扇墙，它能产生用于在各种条件下测试无人机的风场。可进行的测试类型包括风阻测试、自由飞行测试等。
WindShaper 的形状具有高度模块化特征，由称为“风模块”的基础单元组成，这些单元可以任意堆叠和组合。WindShaper 的尺寸由其包含的模块数量决定，例如 6 × 3 WindShaper 的宽度为 6 个模块，高度为 3 个模块。
每个风模块的尺寸约为 25 × 25 厘米，包含 9 个独立的风像素。每个风像素都可单独控制，并包含两个风扇。根据 WindShaper 的尺寸，风扇可产生最高 16 米/秒（36 英里/小时）的风速，配合汇流器后最高可达 45 米/秒（100 英里/小时）。
图 2：带有风模块和风像素标注的 2 × 2 WindShaper
每个风扇的速度和定时均可单独编程，从而允许用户创建 3D 风场。我们将在第 3 节中进一步讨论。
除了主风扇墙（1）外，用户还可以添加侧壁（2）来产生侧风、模拟转角，并丰富测试方式。其他关键组件包括配电箱（3）和机载计算机（4），均可见下图 3。
图 3：WindShaper 的结构
您可能已经注意到，这些 WindShaper 有各种形状和尺寸——有些可以放在桌面上，而另一些则需要独立的实验室空间。
2. 如何控制 WindShaper
WindShaper 使用 WindControl 软件控制，其图形用户界面如图 4 所示。最右侧的 PWM 图例表示供电，每个浅蓝色方块代表一个风像素（风扇单元）。机器使用的风扇由两层反向旋转的叶片组成，称为风扇层。默认情况下，两层都设置为相同速度或 PWM 值。这可实现最佳性能和最低的涡流水平，但如果需要，也可以独立控制风扇层。
这款特定的 WindShaper 包含一个宽 12 个模块、高 8 个模块的主风扇墙，以及两个宽 2 个模块、高 8 个模块的侧壁，共计 1008 个风像素，即 2016 个可单独控制的风扇。三面风扇墙均可通过手动控制或高级 Python API 同时控制。
图 4：WindControl 软件界面
手动控制风扇墙只需为单个像素（或像素组）输入速度值，即可立即激活。当用户准备更改一组像素的功率时，只需选中这些像素并输入新值，即可动态控制 WindShaper。您还可以输入数学函数，让机器重现任何稳态或随时间变化的风场。
机器还提供 Python API，允许用户编写自动化测试程序。风场会提前设计并独立运行，无需人工干预。这让用户能够专注于控制飞行器/翼型或观察测试。 Python API 还允许用户生成更复杂的气流，并将 WindShaper 直接与其它系统（无人机、跟踪摄像头、连接式传感器等）进行连接。
测试完成后，每个风模块的数据可输出到主计算机上的 ZIP 文件夹中，其中包含带有时间戳的 WindShaper 性能和状态信息。
3. 我可以生成哪些类型风场？
使用 WindShaper，您可以创建多种恒定或随时间变化的风场。以下是几种可单独或组合使用的基本风场类型。
稳态气流
此设置模拟传统风洞中常见的恒定气流，非常适合评估无人机的气动性能。通过将 WindShaper 的流速设置为无人机在静止空气中飞行的速度，同时让无人机保持在地面上方，即可产生稳态条件。在这种情况下，无人机所感受到的相对风速相当于其飞行速度。可以使用流直风栅以获得湍流水平较低的风场。
图 5：无人机在稳态风中飞行
湍流
湍流非常适合模拟无人机在工作环境中因天气和地形可能面临的条件。在无人机通常飞行的海拔高度，不太可能遇到层流。在此测试设置中，湍流水平可通过调节每个风像素的功率来控制。湍流水平可以在整个 WindShaper 上保持一致，也可以在测试区域的每个部分设置不同。
图 6：无人机在湍流风中飞行
剪切流
“剪切流”描述的是相邻流体层平行移动但速度不同的风场。这可能导致靠近墙壁、植被或明显热效应区域出现气流不稳定性。通过将一组风扇阵列的风像素设置为低风速，并将相邻风扇阵列的风像素设置为较高风速，即可模拟此情况。 该技术还使用户能够轻松生成边界层，而无需使用传统风洞中的粗糙块或尖塔等传统边界层发生器。
图 7：一组无人机在剪切流环境中飞行
随时间变化的气流
使用随时间变化的气流，您可以随着时间的推移改变每个风像素的风速，从而创建独特风场。给定风像素可以从 2 米/秒开始，增加到 10 米/秒，然后返回 2 米/秒，以此类推。凭借这种控制水平，您可以创建模拟真实飞行条件的风场，例如车辆经过无人机（图 8）。
图 8：无人机在卡车后飞行时所感受到的风速会发生变化
阵风
风速突然变化（阵风）会给无人机导航带来挑战。阵风可通过风像素快速改变风速来模拟。这让您可以研究无人机的位移或抗阵风能力，以及飞行控制器的响应性。为 WindShaper 添加额外的侧壁是模拟阵风和侧风的另一种方法。
图 9：无人机在建筑物周围飞行时遭遇阵风
垂直风 / 起降阶段优化
着陆时，无人机自身尾流（下洗气流）会产生自下而上的相对风，导致情况不稳定。为了模拟这种情况，WindShaper 水平放置，并产生相当于无人机下洗气流的风场。
图 10：无人机进行起降练习
如您所见，使用这些 WindShaper 可以产生各种各样的风场，本文甚至还没有全部涵盖。如果您有特定类型的测试需求，请联系我们的销售部门，了解是否可行。
4. 优缺点
使用 WindShaper 进行无人机测试和验证有若干优点和缺点。以下是一些最重要的：
优点
- 可控性和可重复性：在户外进行测试飞行时，天气和风向可能难以预测，难以获得可重复的结果。使用 WindShaper，您可以编程设置风场条件，反复进行相同的测试。
- 便利性： WindShaper 配有轮子，因此可以轻松移动并放置在所需位置。得益于其紧凑的形状，它也几乎不占用存储空间。
- 大型测试空间： WindShaper 的模块化设计意味着您可以构建所需大小的测试区域。这让您可以测试全尺寸飞行器，甚至多架飞行器，以测试编队飞行。
- 随时间变化的气流：由于每个风像素都可单独控制，因此可以在整个测试区域创建随时间变化的气流，这是传统风洞中使用单个风扇无法实现的。这增加了复制随时间和空间变化的复杂大气流的可能性。
- 自由飞行测试： WindShaper 的设计为无人机提供了足够的空间，使其可以在前方飞行，同时保持在预设的风场范围内。这与大多数传统风洞不同，传统风洞通常要求无人机在风洞内保持静止或以某种方式固定。
- 无限的测试可能性：由于每个风像素都可单独控制，因此几乎有无限的测试可能性，包括湍流、阵风、热效应等方面的变化
- 水平和垂直测试二合一：得益于 WindShaper 的倾斜功能，它可以用作水平和垂直风源。使用传统风洞则需要建造两个独立的设施。
- 按需实现均匀性：与传统风洞不同，可以通过软件调整气流均匀性，确保测试区域内完全平坦的风场。
图 11：使用 8 × 8 WindShaper 测试四旋翼无人机
缺点
- 风速有限：WindShaper 风墙允许的最大风速为 20 米/秒（45 英里/小时），配合汇流器后最高可达 58 米/秒（130 英里/小时）。虽然这适合测试大多数无人机，但无法达到跨音速或超音速。
- 湍流水平：与航空级风洞相比，WindShaper 的湍流强度并不低（约为 5%）。但可以使用可选的气流过滤器（见第 5 节）将湍流水平降低到 1% 以下。
- 噪音：由于其风扇较小，WindShaper 产生的噪音频率高于传统风洞。但由于这种噪音属于高频噪音，传播距离较短，并且可以用混凝土墙或一对耳塞轻松隔绝（与其他可能引起整栋建筑震动并需要阻尼器才能正常运行的大型风洞相比）。
5. 兼容系统
WindShaper 具有若干互补系统，可提升您的无人机测试效果。如需了解更多关于这些附加组件的信息，请联系我们的销售团队：
动力系统测试台
WindShaper 可与测量测试台配合使用，让您在动力系统承受不同风场条件时记录性能数据。2 × 2 WindShaper 工作站专为这一应用而设计，可用于测试推力最高达 5 千克、直径最大 16 英寸的电机和螺旋桨。
图 12：2 × 2 WindShaper 工作站
您也可以使用带有定制尺寸 WindShaper 的更大测试台来测试大型无人机。例如，Flight Stand 提供两种尺寸，可测量单电机或共轴电机装置产生的 15 或 50 千克推力。
推进系统测试台可让您在飞行的每个阶段测量系统的推力、扭矩、转速、功率和效率。
收敛装置
收敛装置可将最大风速从 16 米/秒（36 英里/小时）提高到 45 米/秒（100 英里/小时）。收敛装置安装在 WindShaper 的前端，将高速空气通过封闭的测试区域。请注意，根据 WindShaper 的尺寸，该装置会减小您的测试区域。在测试段之后添加一个扩散装置（如图 14 所示），可将风速进一步提高到 55 米/秒（135 英里/小时）以上。
流场过滤器 / 减湍装置
可以在 WindShaper 上添加流场过滤器，以减少不必要的湍流并确保较低的湍流强度。此功能可确保空气均匀流动，是进行使用力或压力测量等更传统空气动力学测试的理想选择，可降低信噪比。
图 15：带有用于减少湍流的过滤器的 6 x 3 WindShaper
倾斜机构
倾斜机构扩展件可让您将 WindShaper 旋转 90 度，使其能够垂直站立或水平放置。这是模拟热气流和地面效应，以及练习不同条件下着陆的理想配置。它不仅是测量无人机性能的工具，还能让您的飞行员磨练技能。
结论
如果您还有任何疑问，请在下方留言，我们一定会回复您。
如果您有兴趣购买 WindShaper，可以向我们的销售团队索取报价。