Multirotor UAV as a platform for acoustic tomography of the atmosphere

Abstract

Informações detalhadas acerca do perfil de vento e temperatura de determinada localidade são desejáveis durante o processo de avaliação de potencial eólico. De maneira especial, sistemas de airborne wind energy (AWE) se beneficiam destas informações para determinação de procedimentos de pouso e decolagem e de altitude ótima de operação. Atualmente, os equipamentos de medição de perfil de vento disponíveis no mercado possuem um alto custo, não podem ser empregados em áreas remotas ou não possuem o alcance desejado para aplicações AWE. Esta dissertação propõe uma solução portátil, reutilizável, autônoma e de baixo custo para medir o perfil de vento e temperatura para avaliação de potencial eólico de localidades para aplicações AWE. A solução consiste no uso de um veículo aéreo não-tripulado (VANT) como uma plataforma de instrumentação para um dispositivo de tomografia acústica da atmosfera. A descrição da arquitetura de hardware e software requerida para desempenhar todas as funcionalidades necessárias para operação contínua de dispositivo de tomografia acústica baseado em VANT multirrotor é apresentada. O software de tomografia acústica proposto é aplicado em um modelo de atmosfera de acordo com a configuração de hardware estipulada. Os resultados alcançados em simulação foram comparados com os obtidos de outros perfiladores de vento baseados em VANT e apresentaram um desempenho similar ou superior a estes. Os resultados da dissertação demonstraram que o dispositivo proposto potencialmente tem precisão suficiente para ser utilizado como instrumento de medição atmosférica.

Abstract: In the process of wind resource assessment, detailed information about the wind and temperature profile of the site being assessed is desirable. This is specially true for airborne wind energy (Airborne Wind Energy (AWE)) systems, for which this information is relevant in determining the take-off and landing procedures and finding an optimal operating height of the system. Current autonomous devices commercially available are expensive and can not be employed in remote areas or can not reach the desired height range for AWE applications. The present dissertation proposes a portable, reusabe, low-cost automated solution to measure the wind and temperature profile for AWE assessment applications. The solution consists on the usage of an Unmanned Aerial Vehicle (Unmanned Aerial Vehicle (UAV)) as an instrumentation platform of an Acoustic Atmosphere Tomography (AAT) device. A hardware and software architecture for the multirotor UAV-based AAT device is described to perform all of the functionalities required for its full continuous operation. The proposed AAT software is applied to an atmosphere model in accordance to the stipulated hardware setup. The results obtained in simulation environment were compared to other similar UAV-based wind profilers and presented accuracy performances close to or better than them. The dissertation results has shown that the proposed device has the potential to be accurate enough to be used as a weather observation instrument.