湖南大学李正农教授：基于无人机的空中风速风向测量技术

2019年10月21-24日，2019北京国际风能大会暨展览会（CWP2019）在北京隆重召开，大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展：绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来，已连续举办11届，成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

10月22日下午，举办了“风资源精细化评估”论坛。湖南大学李正农教授发表了题为《基于无人机的空中风速风向测量技术》的主旨演讲。

以下为发言内容：

李正农：各位下午好，我是来自湖南大学，是这样的，我今天主要讲基于无人机空中风向风速测量技术，这是我汇报的一些题目，首先是项目背景和意义，我们一般来说测风无非这么几种方法，一个是不是很高，十几米二十米就是一个桅杆或者小型塔架，但都是有一个问题要拆装很不方便，然后实际上无人机原来也有，固翼无人机，它要飞，所以定位有点问题，再一个就是激光雷达，有一些问题是空间分辨率受到一定限制，再一个运行成本比较高。

在风电用的比较多是测风塔，一般几十米上百米这样成本就很高了，还有是气球测风，但是气球实际上随风漂的，这个东西测量精度定位上面都有问题。我们这个主要是无人机这样的，旋翼式无人机，基本上可以精确定位，现在硬度技术是比较完善的，可以停在一个位置，虽然风在吹，但是前后二三十米的移动，进行这样一个移动。

我们进行这样一个研究，就发现一些问题，它旋翼对附近风场还有影响，这是最大一个问题，它实际上风吹过来之后，我们把风速仪放在上面，有不同的位置，我们要找影响比较小的位置，这是要解决一个很大的问题。

另外研究现状是这样的，这个在国内到现在为止是空白的，在国外主要就是数值模拟，数值模拟做的比较好就是澳大利亚墨尔本，他们主要是数值模拟，这里面有个什么问题直升飞机大家可以看一下，实际上它不是往前飞的，是有轻交的，我们顶风也有这方面的问题，所以我们开展了一些研究，这里找到一些比较好的位置，这有一个什么问题呢？每一个型号里面位置不一样，我们主要是通过风动试验来解决这个问题。

我们研究了之后，经过现场的实测发现误差是在基本上风速误差是在1米每秒之内，我在这里的误差不是平均误差，顺时误差，1秒钟，然后角度的误差更小一点，因为这个小，我们国家计量标准最小的可能就是3度。

这是目前已经完成的工作，一个我们解决飞行稳定性问题，再一个解决数据传输的问题，因为它在天上，必须无线传输，还有各种仪器包括风速仪这些东西，跟无人机整合的问题，解决这些问题。我们还通过一些风动试验，把这个规律，轻交和误差之间怎么修整这个规律找了出来。我们发现我们这种无人机基本上风速高度在它上面20厘米的时候比较合适。

然后我们还在北京延庆有一个40米的测风塔，每隔10有超声波风速仪，我们通过无人机在现场做了一个对照，当然这里面是有问题的，小风速不是很大的时候有一个变化，所以必须找一个参考点，固定一个参考点。

这是两个视频，这是风动端，这是地面端，这是我们做的这儿一些工作，这是我们实测的结果，一个是塔上测出来的风速结果，一个是风速仪测出的结果，如果讲平均的话基本上差不多。然后就是说这个结果风向的时候实际上没多大误差，风速有点误差，但是总的趋势来说还是基本上吻合的。然后我们现在还进行了一些风剖面的一些测量，这个也是很重要的。风剖面因为很多，我是搞土木工程的，实际上城市高层建筑也有这个问题，但是在高层建筑密集的问题竖风速塔是不可能的，因为现在高层建筑已经很高了，竖个300米测风塔有很大问题，不可能的，所以用无人机的方法进行一个测量，我们也是有一个参考点，然后无人机在上面飞，飞行的时候测高度，它的风速、风向，参考点作为一个比较相对值多少，算出来。

然后这里算出来风剖面。在发展和展望方面，我认为几个方面，一个风剖面测量，实际上来说这个风剖面是客观存在的，设计的时候精细化的也要重视，到底这个风剖面是怎么回事儿，这样我们可以进行测量，再一个风场的评估，现在特别山地要竖测风塔实际上很困难的事情，特别有时候差几十米就差距很大了，竖塔不可以，你可以用激光雷达测量，但是成本比较高。我们这里无人机是随时可以放上去，可以飞到某一个位置、高度，这样成本就没有那么高。然后覆盖的区域，你觉得的哪个地方比较合适，我们可以进行精细的测量，谢谢大家。

宋军：我留一个问题，一个提问的机会，您来。

女1：老师好，我问一下无人机测量测风的原理大概是什么样的？无人机能固定在高处的某一个位置，大气的空气动力学肯定有一个支持，周围的风场的变化对于无人机本身是怎么测风的，原理的要求是不是有冲突？我关心精度的问题。

李正农：肯定是有影响的，但是它实际上是这么回事儿，无人机旋翼，它的速度是非常快的，一分钟转600转或者1秒钟转100转，我们测量1秒钟除以一组数据，它确实有一些影响，但是影响不大，一平均之后影响是很微小的。

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）