Efectos del Campo de Viento Urbano en la Dinámica de Vuelo de Drones de Ala Fija
Autores: Krawczyk, Zack; Vuppala, Rohit K. S. S.; Paul, Ryan; Kara, Kursat
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Efectos del Campo de Viento Urbano en la Dinámica de Vuelo de Drones de Ala Fija
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Viento
Turbulencia
Drones
Entornos urbanos
Dinámica de vuelo
Drones de ala fija
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
El viento urbano, y particularmente la turbulencia presente en la zona de rugosidad cerca de las estructuras, representa un desafío crítico para los drones de próxima generación. Los patrones de flujo complejos inducidos por grandes edificios producen perturbaciones significativas que el vehículo debe rechazar a bajas altitudes. Los modelos de turbulencia tradicionales, como el modelo de von Kármán, subestiman estos efectos localizados, comprometiendo la seguridad del vuelo. Para abordar esta brecha, integramos campos de viento urbano de alta resolución, temporales y espaciales, provenientes de Simulaciones de Grandes Remolinos en un marco de simulación de dinámica de vuelo utilizando modelos de planta de vehículos basados en la geometría de configuración y leyes de control de Ardupilot comúnmente desplegadas, lo que permite un análisis detallado de las respuestas de los drones en entornos urbanos. Nuestros resultados revelan que las zonas de vuelo de alto riesgo pueden ser identificadas sistemáticamente correlacionando métricas de respuesta de drones con la distribución espacial de la Energía Cinética Turbulenta (TKE). Notablemente, las cargas g máximas coinciden con transiciones abruptas de TKE, subrayando el impacto crítico de incluso las fluctuaciones de viento de corta duración. Al acoplar dinámica de fluidos computacional avanzada con un modelo de dinámica de vehículos en tiempo real, este trabajo establece una metodología fundamental para diseñar plataformas de movilidad aérea avanzada más seguras y confiables en espacios aéreos urbanos complejos. Este trabajo se distingue de la literatura existente al incorporar un solucionador aerodinámico de malla de vórtices eficiente que soporta plataformas de drones de ala fija arbitrarias a través de la simple especificación de la geometría del plano y las propiedades de masa, y operando vuelos completos a lo largo de un campo de viento urbano temporal y espacialmente variable. Este marco permite una evaluación robusta de la estabilidad y el control para una amplia gama de plataformas de drones de ala fija que operan en entornos urbanos, siendo los drones de entrega un caso de uso representativo y práctico.
Descripción
El viento urbano, y particularmente la turbulencia presente en la zona de rugosidad cerca de las estructuras, representa un desafío crítico para los drones de próxima generación. Los patrones de flujo complejos inducidos por grandes edificios producen perturbaciones significativas que el vehículo debe rechazar a bajas altitudes. Los modelos de turbulencia tradicionales, como el modelo de von Kármán, subestiman estos efectos localizados, comprometiendo la seguridad del vuelo. Para abordar esta brecha, integramos campos de viento urbano de alta resolución, temporales y espaciales, provenientes de Simulaciones de Grandes Remolinos en un marco de simulación de dinámica de vuelo utilizando modelos de planta de vehículos basados en la geometría de configuración y leyes de control de Ardupilot comúnmente desplegadas, lo que permite un análisis detallado de las respuestas de los drones en entornos urbanos. Nuestros resultados revelan que las zonas de vuelo de alto riesgo pueden ser identificadas sistemáticamente correlacionando métricas de respuesta de drones con la distribución espacial de la Energía Cinética Turbulenta (TKE). Notablemente, las cargas g máximas coinciden con transiciones abruptas de TKE, subrayando el impacto crítico de incluso las fluctuaciones de viento de corta duración. Al acoplar dinámica de fluidos computacional avanzada con un modelo de dinámica de vehículos en tiempo real, este trabajo establece una metodología fundamental para diseñar plataformas de movilidad aérea avanzada más seguras y confiables en espacios aéreos urbanos complejos. Este trabajo se distingue de la literatura existente al incorporar un solucionador aerodinámico de malla de vórtices eficiente que soporta plataformas de drones de ala fija arbitrarias a través de la simple especificación de la geometría del plano y las propiedades de masa, y operando vuelos completos a lo largo de un campo de viento urbano temporal y espacialmente variable. Este marco permite una evaluación robusta de la estabilidad y el control para una amplia gama de plataformas de drones de ala fija que operan en entornos urbanos, siendo los drones de entrega un caso de uso representativo y práctico.