研究发现,高速列车侧风会对铁路边的无人机造成影响!

   电子分析员        

无人机上安装的成像设备用于高速铁路桥梁的裂缝测量,本研究旨在研究高速列车引起的轨侧风及其对铁路桥梁附近无人机推力的影响。分析了列车诱导风沿轨道三个轴向的特性、风速以及列车诱导风对无人机推力的影响。这是通过在PSC箱梁桥顶部安装三轴超声风速仪和无人机推力测量系统来实现的。监测了列车风速沿列车行驶方向、宽度方向和高度方向的变化。在距离火车车身0.8米、1.3米、2.3米和2.8米的地方测量了火车引起的风,以分析基于距离的风速。研究发现,最大风速随着列车与车身距离的增加而线性减小。在高速列车的前车和后车动力车通过时,由于列车诱导风的作用,无人机的推力分别增加了20%和60%。因此,有必要对鲁棒控制和可控制推力的变桨距螺旋桨进行进一步研究。


相关论文以题为“Effect of High-Speed Train-Induced Wind on Trackside UAV Thrust Near Railway Bridge”发表在《Applied Sciences》上。



需要建造铁路桥来支撑客运和货运列车等重型列车。此外,它们被设计用来支撑铁轨,火车沿着铁轨运行,铁轨之间安装有固定距离的钢轨。铁路桥梁需要获得高水平的安全,同时控制轨道的振动和路基基本训练操作由于高速列车的引入可以在200公里/小时或更高版本和超高速火车旅行在350公里/小时或更高。在这种情况下,高速列车通常采用预应力混凝土(PSC)箱梁桥,因为其具有良好的抗动力结构行为安全性。混凝土主梁是通过在混凝土中放置钢丝,由于混凝土上的压应力而拉紧后再固定而形成的,具有很高的抗弯应力。然而,定期的裂缝检查是必要的,因为裂缝随着时间的推移在某些情况下出现,因为混凝土的干燥收缩。桥梁桥面的裂缝是通过目测检查的,然而,桥梁和桥墩下部的裂缝检查是困难的,因为很难进入这些部分,需要工人使用车载梯子进行目视检查。此外,这种检查需要相当大的成本和时间,它取决于检验员的主观判断。


近年来,人们开始研究利用无人机上的各种成像设备获取图像,并对获取的图像进行分析来测量裂缝。一些研究已经确定了环境因素的干扰,如不均匀的自然光照、不均匀的拍摄距离、桥墩不平坦的结构表面以及GPS无法覆盖的情况。用于铁路桥梁健康监测的无人机操作接近铁路桥梁。因此,为了保证列车的安全,必须考虑列车风的干扰。然而,列车诱导风对近铁路桥无人机的影响尚未得到研究。


本文分析了列车诱导风沿轨道三个轴向的特性、基于列车与列车表面距离的列车诱导风速以及高速列车诱导风对无人机推力的影响。这是通过在PSC箱梁桥顶部安装三轴超声风速仪和无人机推力测量系统来实现的。实验使用了两种不同长度的高速列车。在列车运行方向、宽度方向和高度方向上,监测了主动力车、客车和尾动力车引起的列车诱导风速和风向的变化。此外,在距离火车表面0.8、1.3、2.3和2.8米的地方测量了火车引起的风,以分析基于距离的风速。研究人员对高速列车通过引起的风对轨道侧无人机推力的影响进行了实验研究,该结果可用于铁路桥梁健康监测中无人机推力的稳定研究。


实验装置


实验场地位于距京布高速铁路Singyeongju站8.6公里的Wolsan大桥。Wolsan桥是PSC的箱梁桥,它穿过一个水库,四个桥墩间隔40米安装。这座桥的总长度是200米。在桥的上方,一个连续的钢筋混凝土轨道,整合枕木和混凝土床,安装在上升和下降的方向。在轨道上,为列车供电的接触线是纵向放置的。


在桥的顶部安装实验装置,如图1所示。电力供应给四个三轴超声波风速表,通过直流供电和配电系统。此外,由风速表测量的火车引起的风力数据通过RS-232集线器传输到个人电脑上。UAV电机和螺旋桨通过控制板被控制,它被连接到一个个人计算机来获取推力数据。



图1.列车感应风和无人机(UAV)推力测量系统的原理图安装在沃尔桑桥的顶部。


如图2所示,悬链线桅杆上安装了一个跳汰机,跳汰机上安装了四个三轴超声风速仪。风速表安装在距离列车表面0.8、1.3、2.3和2.8米的地方。此外,风速表安装在2米的高度,以测量火车在列车的中间高度处引起的风速。对于测量方向,将列车行驶方向定义为V轴,列车宽度方向定义为U轴,高度方向定义为W轴。



图2.三轴超声波风速仪和无人机推力测量系统的安装位置。(a)三轴超声波风速仪与列车之间的距离。(b)安装火车感应风和无人机推力测量系统。


无人机推力试验台安装在距列车表面1.8米的地方,推力测量系统安装在其上方。为防止实验过程中列车引风对测量系统的影响,将测量系统放置在仪器箱内,安装在低高壁之间的检测通道上,以防止列车与桥栏的接触。


高速列车在轨道上引起的列车风特性


两种类型的高速列车(图3)在通过沃尔桑大桥时,沿轨道测量了风力。



图3.实验中使用的两种高速列车(a) KTX;SRT (b)。


KTX现代汽车公司是韩国第一辆高速铁路车辆。共有20辆车,包括2辆动力车和18辆乘用车,作为一个队列运行,长度为388米。最大设计车速为320 km/h,最大运行车速为300 km/h。KTX是一种典型的高速铁路车辆,而KORAIL总共运行46个编队。SRT 是韩国自主研发的高速铁路车辆模型。共10辆车,包括2辆动力车和8辆乘用车,组成一个编队,长度201米。最大设计车速为330 km/h,最大运行车速为300 km/h。高级部队(韩国首尔)负责管理共32个队形。虽然KTX和SRT的轨道车辆规格相似,但KTX的乘用车数量高于SRT;因此,整个长度大约是原来的1.93倍。图4显示了KTX和SRT通道期间,在距列车表面0.8 m处测量的列车诱导风速结果。当列车通过沃尔桑大桥时,速度约为293公里/小时。



图4.在距列车表面0.8米的距离上测量列车诱导的风速随时间变化。


列车风致无人机推力变化分析


在列车通过之前,无人机发动机的推力保持在0.5 kgf。当列车的领先动力车通过时,推力急剧增加到0.6 kgf,然后迅速下降到0.46 kgf。在乘用车通过过程中,推力变化±8.8%,在尾部动力车通过后,推力急剧上升至0.8 kgf。在列车通过后,推力慢慢下降,在大约5秒内恢复到0.5 kgf。


当高速列车的前导动力车通过时,无人机推力增加20%,当后导动力车通过时,无人机推力增加60%。甚至在列车通过后,还观察到了影响推力的压力变化和尾迹。这表明需要几秒钟才能使推力稳定下来。KTX列车的前缘动力车和后缘动力车通过时,风速分别增大到10.89 m/s和22.19 m/s,如图4所示。观察到,无人机在尾随车经过时推力显著增加,这与此时最大风速的影响有关。


结论


本研究的目的是通过实验研究高速列车的轨侧风特性及其对四旋翼机在铁路桥附近的推力的影响,本研究在PSC箱梁桥顶部安装了三轴超声风速仪和无人机推力测量系统。此外,在两列高速列车通过过程中,监测了列车诱导的风和无人机推力沿轨道的变化。列车主动力车通过时风速急剧增加,客车通过时风速逐渐增加,后动力车通过时风速增加一倍以上。KTX的最大风速比SRT高约9.3%,这是由于KTX的总长度较大。即使在火车通过之后,由于尾迹的影响,火车引起的风也逐渐减小。通过对列车诱导风特性的测量,可以建立高速列车通过时的无人机操作方案。此外,由于列车行驶方向的风速被确定为主导,因此当列车诱导风发生时,应避免无人机在列车宽度方向操作。在距离列车表面2.8米处的最大风速比0.8米处的风速低62%。根据距离列车表面的最大风速,可以用来设置无人机的可接近距离。


研究发现,当高速列车前导动力车通过时,由于列车诱导风的作用,无人机推力增加了20%;当后导动力车通过时,无人机推力增加了60%。在领先动力车通过过程中,客车通过过程中推力保持在±8.8%范围内,相对稳定。研究结果证实,在高速列车前车和后车通过桥梁时,保持不变的无人机推力突然增大。在无人机控制系统中,高速列车通过过程中突然的推力增加会引起系统误差。本文的实验结果可用于无人机螺旋桨的鲁棒控制和变桨距螺旋桨的推力控制的进一步研究。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3495/htm



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