CN101126766A - 基于全方位视觉的三维风速风向测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于全方位视觉的三维风速风向测量装置，包括支架、全方位视觉传感器和检测风速风向用微处理器，在支架的水平方向和垂直方向都安装风杯、减速机构、固定连接杆、风标和风向方位块，风杯与减速机构的输入轴上端固定连接，减速机构的输入轴下端套接在固定连接杆的上端，风标套装在连接轴上，连接轴与固定连接杆下端固定连接，风标的端部安装风向方位块，风向方位块的上端与所述减速机构位于同一平面，在减速机构的输入轴和输出轴上分别安装指针，两个指针、风向方位块的上方设有设定的标记颜色，视觉传感器的视觉范围包括水平方向和垂直方向的减速机构所在平面。本发明精度高、灵敏度高、长期可靠、检测结果可靠性强和有效检测三维风速风向。

Description

基于全方位视觉的三维风速风向测量装置

技术领域

本发明属于计算机图像处理技术、三维风速风向可视化技术和机械设计技术在风速风向检测方面的应用，主要适用于气象、海洋、环境、农业、水利、电力、军事、机场、科研、文物保护等领域。

背景技术

风场测量包括风速及风向，理想的风场测量传感器应当能够确定一个三维矢量。但三维矢量在研制与标定上都存在很大难度。因而一般风场测量传感器确定的都是二维矢量，一般考虑为(xy平面)二维矢量，风速-模值及风向-方向。在一些特殊情况下，垂直运动也相当显著，如山的背风坡、强的对流云。

目前测量风速的技术主要分为如下四种：1)旋转式风速测量；2)压力式风速测量；3)热力式风速测量；4)超声风速测量。市场上常见的风速测量仪器有如下三种：①风杯风速表，是应用最广泛的一种风速表。由三个(或四个)半球形或抛物形空杯，都顺一面均匀分布在一水平支架上，支架与转轴相连。在风力作用下，风杯绕转轴旋转，其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机、齿轮或光电计数器等记录。②桨叶式风速表，由若干片桨叶按一定角度等间隔地装置在一铅直面内，能逆风绕水平轴转动，其转速正比于风速。桨叶有平板叶片的风车式和螺旋桨式两种。最常见的是由三叶式四叶螺旋桨，装在形似飞机机身的流线形风向标前部，风向标使叶片旋转平面始终对准风的来向。其中风杯风速表和桨叶式风速表在原理上均属于旋转式风速测量。③热力式风速表，被电流加热的细金属丝或微型球体电阻，放置在气流中，其散热率与风速的平方根成线性关系。通常在使加热电流不变时，测出被加热物体的温度，就能推算出风速。热力式风速表感应速度快，时间常数只有百分之几秒，在小风速时灵敏度较高，宜应用于室内和野外的大气湍流实验，也是农业气象测量的重要工具。

由于CMOS技术的发展，采用硅热流量进行风速风向测量；利用温差型的测量原理，将传感器表面加热，使之高于环境一定温度，通过测量风向对称点处由于风速的影响而产生的片上温差而得到风速和风向的信息，从原理上来说也是一种热力式风速测量方法。该测量手段一般适用于室内风场测量。超声风速测量是利用超声波沿空气流动方向作双向传播，从而测量自然风速的仪器。

在气象观测中，采用一个风杯式风速计来测量风速，其对风向不敏感，再采用一个风标，用于测量相对地平面的方向矢量。现有旋转式风速测量仪历经了数几十年的发展和改进，以其结构简单、无功耗、直观等突出优点得到广泛推广使用。在旋转式风速测量仪中的风速信号转换方法采用的是电机式和电接式这两种方法：在电机式风速测量仪中，风杯带动测速发电机，输出与转速(风速)成正比的电压讯号；在电接式风速测量仪中，风杯经变速机构输出代表一定风程的脉冲信号，计量规定间隔时间内脉冲信号的个数，得到该时段的平均风速等于该时段风程数/间隔时间。电型的风速传感器是电接式风速测量方法中的一种光电转换，传感器中采用低惯性轻金属风杯，随风旋转，带动同轴截光盘转动，以光电子扫描输出脉冲串，输出相应于转数的脉冲频率对应值。

风向标是一种应用最广泛的测量风向仪器的主要部件。由水平指向杆、尾翼和旋转轴组成。在风的作用下，尾翼产生旋转力矩使风向标转动，并不断调整指向杆指示风向。目前将风向信号的转换主要采用了各种角度传感器进行风向信号的转换，主要有：1)机械式；2)电气式；3)电位器式；4)光电式等四种角度传感器。光电式的风向传感器采用低惯性轻金属的风向标响应风向，带动同轴码盘转动，此码盘按格雷码编码并以光电子扫描，输出对应风向的电信号。风向标感应的风向必须传递到地面的指示仪表上，以触点式最为简单，风向标带动触点，接通代表风向的灯泡或记录笔电磁铁，作出风向的指示或记录，但它的分辨只能做到一个方位(22.5°)。精确的方法有自整角机和光电码盘。

QX/TXXXX-2005《地面气象观测规范》的第7部分，鉴于中国气象局颁发的《地面气象观测规范》多年来已为国内很多行业所公认和采用，故QX/TXXXX-2005主要依据的国内文件是《地面气象观测规范》(中国气象局，气象出版社，2003.11)及其有关补充文件。参考的国际文件是《气象仪器和观测方法指南》第六版(世界气象组织)和《全球观测系统手册》(世界气象组织)。该规范中明确规定了对地面气象观测的内容，可以采用两种方式进行观测，即人工观测和自动观测。在人工观测时，测量平均风速和最多风向。配有自记仪器的要作风向风速的连续记录并进行整理。在自动观测时，测量平均风速、平均风向、最大风速、极大风速。该规范建议标准由风向和风速两部分组成。风向部分由风标、风向方位块、导电环、接触簧片等组成；风速部分由风杯、交流发电机、蜗轮等组成。

观测风向风速的传感器的使用环境条件十分恶劣，不仅风速变化范围大，而且处于温度变化大、高湿、沙尘、大风及雷电干扰之下，加上偏远地区供电条件差，操作使用人员专业知识欠缺等，因此，对风向风速的质量性能要求极高。优良的风向风速传感器应具有如下特性：

(1)风速损失低、分辨力高、能检测到极小风速，在小风时能反应风向的变动，即有良好的启动性能；具有良好的动态特性，即能迅速准确地跟踪外界的风向变化。

(2)测量精度高，必须达到《规范》要求的测量误差。

(3)测量误差不受风速变化影响或受影响极小，在风速为0.5～60m/s或更大范围内，能保持高精度，测量误差小于等于±2％。

(4)在恶劣外部环境的影响下(如：高温、高湿、沙尘、雷电等)能长期可靠工作。

(5)无功耗型或极低功耗型。

(6)安装、调整简单方便。

(7)误差检定所需设备简单，现场检定操作简便易行。

目前在风速风向传感器的研究与开发领域，回绕着提高风速风向数据采集、传输方面有一些新的成果。如中国实用新型公开号为CN2708334的模拟表盘数显测风仪；中国实用新型公开号为CN2321006的一种风速风向自动采集仪；中国实用新型公开号为CN2266740一种螺旋桨式测风传感器。以上各种测风仪存在的缺陷为：精度低、灵敏度低、可靠性差。

原有技术要实现三维空间上的风速风向测量十分困难，同时对于三维风速风向传感器的标定也是一件难事。

发明内容

为了克服已有的风速风向传感装置的精度低、灵敏度低、可靠性差、不能有效检测三维风速风向的不足，本发明提供一种精度高、灵敏度高、长期可靠、检测结果可靠性强、有效检测三维风速风向的基于全方位视觉的三维风速风向测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于全方位视觉的三维风速风向测量装置，包括支架、风杯、减速机构、固定连接杆、风标、风向方位块、视觉传感器和检测风速风向用微处理器，在支架的水平方向和垂直方向都安装风杯、减速机构、固定连接杆、风标和风向方位块，所述的视觉传感器安装在支架上，所述的风杯与减速机构的输入轴上端固定连接，所述减速机构的输入轴下端套接在固定连接杆的上端，所述的风标套装在连接轴上，所述的连接轴与固定连接杆下端固定连接，所述的风标的端部安装风向方位块，所述风向方位块的上端的高度与所述减速机构位于同一平面，在减速机构的输入轴和输出轴上分别安装指针，所述的两个指针、风向方位块的上方设有设定的标记颜色；所述的视觉传感器为全方位视觉传感器，包括外凸折反射镜面、用以防止光折射和光饱和的黑色圆锥体、透明圆柱体和用于拍摄外凸反射镜面上成像体的摄像头，所述的外凸折反射镜面位于透明圆柱体的上方，外凸折反射镜面朝下，黑色圆锥体固定在外凸折反射镜面的底部中央，所述摄像头对着外凸折反射镜面朝上；所述视觉传感器的视觉范围包括水平方向的减速机构所在平面和垂直方向的减速机构所在平面；所述的检测风速风向用微处理器包括：图像数据读取模块，用于读取视觉传感器传过来的视频图像信息；检测领域分割模块，用于将从全方位视觉传感器获取的全方位视频信息分割为水平方向视频和垂直方向视频，水平方向对应XY平面，垂直方向对应YZ平面；色彩空间转化模块，用于将视频图像从RGB色彩空间转换到YUV空间；转角计算模块，用于计算所述XY平面和YZ平面的两个指针和风向方位块的转角，将视频图像转化为二值化图像，预设风向方位块和两个指针在二值化图像上的转动中心点，视觉平面的横轴为南北向，纵轴为东西向，当风向发生变化时风向方位块就会回绕着转动中心点转动，当风杯受到风力后，有明显颜色特征的指针也会回绕着该中心点转动，风向方位块的中心与转动中心点之间的直线的倾斜角为风向方位块的转角，指针的中心与转动中心点之间的直线的倾斜角为指针的转角；风速检测模块，用于检测水平二维平面上的风速，设定每帧图像的观测处理时间，观测减速机构中的输入轴和输出轴上指针的角度，当微风时，N来表示单位时间内风杯旋转的角度，即输入轴上指针旋转的角度，风速与风杯旋转的角度之间的关系由公式(2)表示；

V＝a+bN+cN²(2)

上式中：V表示风速，以米/秒为单位，N表示单位时间内风杯旋转的角度，a，b，c表示风洞标定常数；

当强风时，减速机构的减速比为n，风速与减速机构的输出轴旋转的角度之间的关系由公式(3)表示：

V＝a+bN/n+c(N/n)²(3)

上式中：V表示风速，以米/秒为单位，N/n表示单位时间内减速机构的输出轴旋转的角度；a，b，c表示风洞标定常数；

风向检测模块，用于检测所述XY平面和YZ平面的风向，设定每帧图像的观测处理时间，观测风向标的角度，记录其摆动范围的中间位置，每一帧图像得到风标的转角_frame(t)；

将上述得到的两个二维的风速风向矢量进行矢量加得到的三维的风速风向矢量，由公式(1)来进行计算，

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{xyz}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{xy}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{yz}}---\left(1\right)$

上式中：

表示一个三维的风速风向，

表示该三维的风速风向在XY平面上的投影，

表示该三维的风速风向在YZ平面上的投影。

进一步，在所述风速检测模块中，包括瞬时风速计算单元、最大瞬时风速计算单元、一分钟平均风速计算单元、二分钟平均风速计算单元、十分钟平均风速计算单元以及日最大风速计算单元，其中，

瞬时风速计算单元，用于计算所述XY平面和YZ平面的3秒钟的平均风速，设定视频图像的采样间隔为5帧/秒，3秒钟为15帧视频图像的采样时间，累计减速机构的输出轴的指针经历处理15帧视频图像时间内的所旋转的角度，将该角度值代入公式(2)中的N/n，求得瞬时风速V₃(t)；

最大瞬时风速计算单元，用于统计在设定时段内出现的最大瞬时风速值；一分钟平均风速计算单元，用于根据瞬时风速V₃(t)通过公式(14)求得一分钟内的平均风速V(t)：

$V\left(t\right)=\underset{t=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{V}_3(t-19)---\left(14\right)$

式中：V₃(t)表示3秒钟的平均风速，V(t)表示一分钟的平均风速；二分钟平均风速计算单元，用于根据一分钟的平均风速V(t)通过公式(15)来求的二分钟平均风速：

$V_2\left(t\right)=\frac{\underset{t=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}V(t-1)}{2}---\left(15\right)$

式中：V₂(t)表示二分钟平均风速；V(t)表示当前时刻所求得的一分钟内的平均风速；

十分钟平均风速计算单元，用于根据一分钟的平均风速V(t)通过公式(16)来求的十分钟平均风速：

$V_{10}\left(t\right)=\frac{\underset{t=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}V(t-9)}{10}---\left(16\right)$

式中：V₁₀(t)表示十分钟平均风速；V(t)表示当前时刻所求得的一分钟内的平均风速；

日最大风速计算单元，用于根据每日20时～次日20时风速记录中分别截取10分钟线段的风速进行比较，选出最大值作为该日10分钟最大风速，通过计算公式(17)来计算日最大风速V_10-max(t)：

V_10-max(t)＝max(V₁₀(20:10)，V₁₀(20:20)，......，V₁₀(20:00))(17)。

更进一步，在所述风向检测模块中，包括瞬时风向计算单元、二分钟平均风向计算单元以及十分钟平均风向计算单元，其中，

瞬时风向计算单元，用于观测所述XY平面和YZ平面的在每一帧图像中得到风标的转角_frame(t)，视频图像的采样间隔为5帧/秒，3秒钟为15帧视频图像的采样时间，用公式(18)求得3秒钟内的风标的摆动范围的中间位置：

式中：_frame(t)表示一帧图像中风标的转角，₃(t)表示3秒钟内的风标的摆动范围的中间位置；

二分钟平均风向计算单元，用于根据₃(t)通过公式(19)求得两分钟风标的摆动范围的中间位置，

式中：₂(t)表示两分钟风标的摆动范围的中间位置，₃(t)表示3秒钟内的风标的摆动范围的中间位置；

十分钟平均风向计算单元，用于根据₂(t)通过公式(20)求得十分钟风标的摆动范围的中间位置，

式中：₁₀(t)表示十分钟风标的摆动范围的中间位置，₂(t)表示两分钟内的风标的摆动范围的中间位置。

再进一步，所述的减速机构包括小齿轮和大齿轮，所述的输入轴与小齿轮联接，所述小齿轮与大齿轮啮合，所述大齿轮与输出轴联接。

所述的减速机构为行星式齿轮减速机构，所述行星式减速机构包括内齿环、齿轮和太阳轮，太阳轮与输入轴联接，所述内齿环与输出轴联接。

所述的两个指针、风向方位块的上方涂有荧光材料。

所述的连接轴上安装指南针。所述的测量装置还包括充电电路，所述的减速机构的输入轴连接发电机，所述发电机连接充电电路，所述的充电电路连接检测风速风向用微处理器。

本发明的技术构思为：近年发展起来的全方位视觉传感器以及计算机视觉技术为从三维空间来观察风速风向提供了一种新的解决方案，同时随着通信与网络技术的发展，为远程三维空间来观察风速风向情况提供了各种新的手段。因此如何通过全方位视觉传感器、计算机图像处理技术、网络通信技术、风速风向可视化技术和机械设计技术在三维风速风向检测，并根据摄像装置得到的实时图像，通过计算自动判断、图像识别等手段，在提高风速风向测量的分辨率以及扩大量程范围的同时提高测量风速风向的精度，减轻风速风向传感器的安装、调整、维护和误差检定的难度，为精确、灵敏、长期可靠、宽量程、低成本、高质量完成风速风向的测量和信号输出提供新的手段，同时也可以提供一种可通过各种远程访问手段获取监视地域中的三维风速风向信息，其中包括风速风向传感器的可视化视频信息，以便远程人工观测和维护。

用三维视觉的方式检测风速风向，首先需要将三维的风速风向进行可视化，三维的风速风向矢量可以看成是由两个二维的风速风向矢量进行矢量加得到的，如附图13所示，一个三维的风速风向矢量的计算可以由公式(1)来进行计算，

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{xyz}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{xy}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{yz}}---\left(1\right)$

式中：表示一个三维的风速风向，

表示该三维的风速风向在XY平面上的投影，

表示该三维的风速风向在YZ平面上的投影。

从上述关系式，我们可以得出如下结论，只要能分别检测出三维的风速风向在XY平面上的投影

以及在YZ平面上的投影

然后利用公式(1)就能得到一个三维的风速风向，所以可以将检测三维的风速风向问题分解成同时检测两个相互垂直平面上的风速风向，然后再进行矢量加运算的问题。根据上述结论，本发明中首先考虑解决视觉检测某一个平面上的风速风向问题。

考虑到视频观察的方便性，本发明中将表示风速风向可视化部分集中在一个平面上；测量风速和风向由两个部分构成，测量风速采用风杯1、减速单元2、连接风杯和减速单元的轴3、两个有明显颜色特征的指针和固定连接杆5等组成，两个指针分别固定在减速单元的输入轴3与输出轴4上；测量风向部分采用风标8、风向方位块6、连接轴7等组成，风向方位块6上部涂有明显的颜色，以便于机器能快速识别；在连接轴7上有一个深孔，孔的直径与固定连接杆5的外径相同，固定连接杆5与连接轴7在同一中心轴线上，将固定连接杆5插入连接轴7上的一个深孔中，将风速的检测单元与风向的检测单元集成在一起，保证了两个有明显颜色特征的指针和有明显颜色特征的风向方位块基本上在一个平面上，如附图3所示；视觉传感器10通过连接杆9固定在减速单元2上，视觉传感器10的光学摄像部分朝下，减速单元2和风向方位块6都在视觉传感器10的视觉范围内，通过视觉传感器10所拍摄到的视频图像如附图5所示，减速单元的轴3在视频图像的中心。

接着我们考察在与水平面相垂直的平面上的风速风向的测量，即在YZ(或者是在XY)平面上的风速风向的测量，在本专利中采用了YZ平面，我们将与上述测量XY平面上的同样的风速风向传感器转动一个90°角度，将两个风向部分检测单元的主轴7的中心线配置在XZ平面上，一个传感器测量水平面(XY平面)上的风速风向，一个传感器测量垂直面(YZ平面)上的风速风向，形成一个可测量三维的风速风向传感器，其结构如图5所示。

图5中采用了两个视觉传感器分别检测XY平面和YZ平面上的风标与指针的转角来获得其各自平面上的风速风向信息，然后分别按上述方法分别计算出各自投影面上的风速风向数据。虽然采用两个视觉传感器能实现三维风速风向的检测，但是从严格意义上来说，要求同步协调地将两个视觉传感器同时完成各自平面上的检测是一件比较难的事，所谓的同步协调是要保证两个平面上的检测的采样时刻一致，如果采样时刻不一致的话对于高精度进行三维瞬时风速风向有困难，同时采用两个视觉传感器会增加生产成本与维护难度。因此如何采用一个视觉传感器来同时获得XY平面和YZ平面上的风标与指针的转角信息，这样不但能绝对保证检测采样时间的一致性，同时也能降低生产成本与维护难度。全方位视觉传感器能为这种需求提供解决方案，通过一个全方位视觉传感器同时检测XY平面和YZ平面上的风标与指针的转角来获得其各自平面上的风速风向信息，如图9所示，用该方法来检测两个相互垂直平面上风标与指针的转角。为了便于理解，该方法相当与用两个摄像头斜装一个角度来分别检测两个相互垂直平面上风标与指针的转角，如图10所示。

所述三维的风速风向传感器的标定，我们也可以通过在各检测平面上的标定来实现，即实现一个三维风速风向传感器的标定的过程是将其分解为两个二维风速风向传感器的标定来实现的。

本发明的有益效果主要表现在：1、通过三维风速风向传感器的可视化和一体化设计、图像识别、自动计量计算判断等手段，在提高三维风速风向测量的分辨率以及扩大量程范围的同时提高测量风速风向的精度；2、减轻三维风速风向传感器的安装、调整、维护和误差检定的难度；3、精确、灵敏、长期可靠、宽量程、低成本、高质量完成三维风速风向的测量和信号输出；4、实现了测量过程的自动化、记录过程的无纸化、计量过程的数字化以及检测传感的网络化，同时也能使检测者通过远程直接人工观测现场的风速风向的视频图像。

附图说明

图1为平面二维风速测量传感器的结构示意图；

图2为平面二维风向测量传感器的结构示意图；

图3为平面二维风速风向测量传感器的结构示意图；

图4为基于计算机视觉风速风向测量传感器的结构示意图；

图5为采用两个视觉传感器的基于计算机视觉三维风速风向传感器示意图；

图6为全方位视觉传感器的结构示意图；

图7为全方位视觉传感器的光学原理图；

图8为全方位视觉传感器的透视图原理图；

图9为基于全方位视觉的三维风速风向传感器的结构示意图；

图10为采用两个视觉传感器来实现等效于基于全方位视觉的三维风速风向传感器的结构示意图；

图11为采用行星式齿轮减速的平面二维风速测量传感器的结构示意图；

图12为采用行星式齿轮减速的平面二维风速风向测量传感器的结构示意图；

图13为表示一个三维的风速风向矢量以及与二维的风速风向矢量的关系图；

图14为在全方位视觉传感器的透视图上8显示风标与指针的视频图；

图15为基于全方位视觉三维风速风向传感器中采用的嵌入式系统硬件框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图15，一种基于全方位视觉的三维风速风向测量装置，包括支架，风杯1、减速机构2、固定连接杆5、风标8、风向方位块6、视觉传感器10和检测风速风向用微处理器，在支架的水平方向和垂直方向上都安装有风杯、减速机构、固定连接杆、风标和风向方位块，所述的视觉传感器10安装在支架上，所述的风杯1与减速机构的输入轴3上端固定连接，所述减速机构的输入轴3的下端套接在固定连接杆5的上端，所述的风标8套装在连接轴7上，所述的连接轴7与固定连接杆5下端固定连接，所述的风标8的端部安装风向方位块6，所述风向方位块6的上端的高度与所述减速机构2位于同一平面，在减速机构的输入轴3和输出轴4上分别安装指针，所述的两个指针、风向方位块6的上方设有设定的标记颜色，所述的视觉传感器10为全方位视觉传感器，包括外凸折反射镜面、用以防止光折射和光饱和的黑色圆锥体、透明圆柱体和用于拍摄外凸反射镜面上成像体的摄像头，所述的外凸折反射镜面位于透明圆柱体的上方，外凸折反射镜面朝下，黑色圆锥体固定在外凸折反射镜面的底部中央，所述摄像头对着外凸折反射镜面朝上；所述视觉传感器10的视觉范围包括水平方向的减速机构所在平面和垂直方向的减速机构所在平面；所述的检测风速风向用微处理器包括：图像数据读取模块，用于读取视觉传感器传过来的视频图像信息；检测领域分割模块，用于将从全方位视觉传感器获取的全方位视频信息分割为水平方向视频和垂直方向视频，水平方向对应XY平面，垂直方向对应YZ平面；色彩空间转化模块，用于将视屏图像从RGB色彩空间转换到YUV空间；转角计算模块，用于计算所述XY平面和YZ平面的两个指针和风向方位块的转角，将视频图像转化为二值化图像，预设风向方位块和两个指针在二值化图像上的转动中心点，视觉平面的横轴为南北向，纵轴为东西向，当风向发生变化时风向方位块就会回绕着转动中心点转动，当风杯受到风力后，有明显颜色特征的指针也会回绕着该中心点转动，风向方位块的中心与转动中心点之间的直线的倾斜角为风向方位块的转角，指针的中心与转动中心点之间的直线的倾斜角为指针的转角；风速检测模块，用于检测水平二维平面上的风速，设定每帧图像的观测处理时间，观测减速机构中的输入轴和输出轴上指针的角度，当微风时，N来表示单位时间内风杯旋转的角度，即输入轴上指针旋转的角度，风速与风杯旋转的角度之间的关系由公式(2)表示；

V＝a+bN+cN²(2)

上式中：V表示风速，以米/秒为单位，N表示单位时间内风杯旋转的角度，a，b，c表示风洞标定常数；

当强风时，减速机构的减速比为n，风速与减速机构的输出轴旋转的角度之间的关系由公式(3)表示：

V＝a+bN/n+c(N/n)²(3)

上式中：V表示风速，以米/秒为单位，N/n表示单位时间内减速机构的输出轴旋转的角度；a，b，c表示风洞标定常数；

风向检测模块，用于检测所述XY平面和YZ平面的风向，设定每帧图像的观测处理时间，观测风向标的角度，记录其摆动范围的中间位置，每一帧图像得到风标的转角_frame(t)；

将上述得到的两个二维的风速风向矢量进行矢量加得到的三维的风速风向矢量，由公式(1)来进行计算，

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{xyz}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{xy}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{yz}}---\left(1\right)$

上式中：

表示一个三维的风速风向，

表示该三维的风速风向在XY平面上的投影，

表示该三维的风速风向在YZ平面上的投影。

所述的减速机构包括小齿轮和大齿轮，所述的输入轴与小齿轮联接，所述小齿轮与大齿轮啮合，所述大齿轮与输出轴联接。所述的两个指针、风向方位块6的上方涂有荧光材料。所述的连接轴7上安装指南针。

本实施例主要由两个相互垂直平面的二维平面的风速风向传感单元、视频图像采集与处理单元、网络通信单元等构成；

所述的风速风向传感单元，用于检测水平二维平面上的风速和风向，包括风速检测单元、风向检测单元，两个风速风向传感单元的安装位置相互成90°，视觉平面对着两个平面中心轴线的交叉点；

所述的风速检测单元，用于检测水平二维平面上的风速，测量风速采用风杯1、减速单元2、连接风杯和减速单元的轴3、两个有明显颜色特征的指针和固定连接杆5等组成，两个指针分别固定在减速单元的输入轴3与输出轴4上；

所述的风向检测单元，用于检测水平二维平面上的风向，测量风向部分采用风标8、风向方位块6、连接轴7等组成，风向方位块6上部涂有明显的颜色，以便于机器能快速识别；在连接轴7上有一个深孔，孔的直径与固定连接杆5的外径相同，固定连接杆5与连接轴7在同一中心轴线上，将固定连接杆5插入连接轴7上的一个深孔中，将风速的检测单元与风向的检测单元集成在一起，保证了两个有明显颜色特征的指针和有明显颜色特征的风向方位块基本上在一个平面上，如附图3所示；

所述的视频图像采集与处理单元，用于获取风速检测单元、风向检测单元上表示风速与风向的视频信息，视觉传感器10通过连接杆9固定在减速单元2上，视觉传感器10的光学摄像部分朝下，减速单元2和风向方位块6都在视觉传感器10的视觉范围内，通过视觉传感器10所拍摄到的视频图像如附图5所示，减速单元的轴3在视频图像的中心。

所述的风速检测单元，用于检测风杯和减速单元的轴3上的转速，由于采用视频观测，考虑到计算机处理、图像识别等处理时间，一般取每帧图像的观测处理时间在10～15ms，即5帧/秒左右；如果用N来表示单位时间内风杯旋转的角度，那么风速与风杯旋转的角度之间的关系可以由公式(2)表示；

V＝a+bN+cN²(2)

式中：V表示风速，以米/秒(m/s)为单位，取1位小数；N表示单位时间内风杯旋转的角度；a，b，c表示风洞标定常数。

在《地面气象观测规范》中规定了风速的测量范围是0～60m/s，对于这样宽的风速测量的范围，即要保证在不同风速范围的测量精度，又要使得在不同风速范围内便于视频观测，本发明中通过分别视频观测减速单元2中的输入轴和输出轴的转速，在微风时，由于减速单元2中的输出轴的转速非常慢，因此观测减速单元2中的输入轴的转速；在强风时，由于减速单元2中的输入轴的转速非常快，几乎通过视频观测不到减速单元2中的输入轴的转速，因此观测减速单元2中的输出轴的转速；本发明中将减速单元2中的减速比设计为n，那么风速与减速单元2中的输出轴旋转的角度之间的关系可以由公式(3)表示；

V＝a+bN/n+c(N/n)²(3)

式中：V表示风速，以米/秒(m/s)为单位，取1位小数；N/n表示单位时间内减速单元2中的输出轴旋转的角度；a，b，c表示风洞标定常数。

设计减速比n时，考虑到最大测量风速为60m/s以及计算机处理图像时间为5帧/秒，在最大测量风速为60m/s状态下减速单元2中的输出轴旋转的角度不超过360°/帧，即1800°/秒(＜5圈/秒)；在该约束条件下，计算机能正确的分辨出视频图像中减速单元2中的输出轴旋转的角度。

所述的减速单元2，用于将连接风杯和减速单元的轴3上的转速通过减速单元2降速，在上述所设计好的减速比n后，采用两个齿轮进行减速。

所述的有明显颜色特征的指针，为了能使晚间等光线不足情况下视觉传感器10也能拍摄到指针的转动，指针上涂有荧光材料。

所述的有明显颜色特征的指针，一个安置在输入转动轴上，一个安置在输出转动轴上；也可以直接用荧光材料以指针的形状绘制在主动齿轮上和被动齿轮上，所述的主动齿轮是与连接风杯和减速单元的轴3进行连接的，所述的被动齿轮是与主动齿轮进行啮合连接的、安装在输出传动轴上的大齿轮。

所述的风向检测单元，由尾翼、指向杆、平衡锤、主轴等构成，本发明中将指向杆、平衡锤做成一体化，保持类似于飞机机身的流线型，形成机身部件8，机身部件8与尾翼6连接形成一个类似飞机形状的风标，在机身部件8的重心处开有一个通孔，主轴7插入机身部件8的通孔内，与其实现滚动副连接，这样风标能绕着主轴7进行自由旋转，如图2所示；风向部分检测单元要满足以下三个要求：1)转轴摩擦力小，起动风速小；2)整体平衡良好；3)具有良好的动态特性；主轴7与风速的检测单元的主轴5同轴心，主轴7上开有一个深孔，深孔的直径与风速的检测单元的主轴5的直径相同，将风向部分检测单元和风速部分检测单元组装时，首先将两个单元各自进行装配，然后将风速的检测单元的主轴5插入到风向部分检测单元的主轴7中，并将风速部分检测单元的减速单元2中的输入轴和输出轴的轴心线与指南杆11的中心线在一个平面上，接着进行紧固，如图3所示。

现场安装时，为了保证在水平面上的二维风速风向传感器安装方向正确，使传感器的S方向准确的指向正南方向，通过改变风速风向传感器安装方向，使得指南杆11所指的方向与罗盘所确定正南方向相一致。风速风向传感器安装时风速风向传感器的主体必需垂直于水平面。

所述的有明显颜色特征的风向方位块，为了能使晚间等光线不足情况下视觉传感器10也能拍摄到风向方位块的转动，风向方位块的顶部涂有红色荧光材料；

所述的视频图像采集与处理单元是由视觉传感器、嵌入式系统组成；所述的视频图像采集与处理单元的电源还可采用风杯旋转时的能量带动发电机对充电电路不断进行充电，由常规充电电路与蓄电池相联，再由稳压器产生稳压电源。

所述的风向方位块和有明显颜色特征的指针的转动角度检测是通过所获取视频图像进行处理得到目前的转角位置，为了简化图像运算，在本专利中将风向方位块和有明显颜色特征的指针的颜色设计成红色，为了能在晚间等光照亮度不够的情况下也能获得较好的视频图像，我们将风向方位块和有明显颜色特征的指针用红色荧光粉进行喷涂，那么上面的检测就可以简化为红色荧光部分在某一个平面上的转角检测问题；从摄像装置读取的视频图像是RGB色彩空间，RGB色彩空间对亮度比较敏感，特别是在野外使用的风速风向测量传感器不应该由亮度变化而造成误测量，这里通过色彩空间转化模块将图像RGB色彩空间到YUV空间的转化，为获得风向方位块和有明显颜色特征的指针转角做准备工作；

YUV颜色模型是一种常用的颜色模型，其基本特征是将亮度信号与颜色信号分离，Y代表亮度，U、V是两个彩色分量，表示色差，一般是蓝，红色的相对值，由于人眼对亮度的变化比对颜色的变化敏感，因此，YUV模型中Y分量的值所占带宽大于等于彩色分量所占带宽YUV与RGB模型之间的线形关系如公式(4)给出，

Y＝0.301*R+0.586*G+0.113*B

U＝-0.301*R-0.586*G+0.887*B

V＝0.699*R-0.586*G-0.113*B(4)

由于我们在二维的风速风向测量中只关心风向方位块和有明显颜色特征的指针的转角，因此上述公式计算时只要计算红色分量的值，然后得到相对应的二值化图像。

所述的二值化图像，这里我们仅考虑在水平面上的风速风向的检测，在垂直面上的风速风向检测原理相同，红色分量经图像二值化处理后变为白颜色，其余部分都变为黑颜色；在系统初始化阶段，程序预制了风向方位块和有明显颜色特征的指针在二值化图像上的转动中心点，当风向发生变化时风向方位块就会回绕着该中心点转动，同样当风杯受到风力后，有明显颜色特征的指针也会回绕着该中心点转动；本发明中将视觉传感器的视觉中心设置在风速的检测单元的主轴5和风向部分检测单元的主轴7，视觉平面的横轴为南北向，纵轴为东西向，如图5所示，图4所拍摄到的视频图像如图5的上面部分的图所示，比如当风向发生从正北变化为北偏西30°时以及风杯受到风力后有明显颜色特征的指针发生转角变化，如图5的下面部分的图所示，我们从二值化的风向方位块的中心与风向方位块的转动中心点引一条直线，根据该直线与南北向的倾斜角度就能识别出目前的风向，同样道理我们从二值化的指针的中心与该指针的转动中心点引一条直线，根据该直线目前正南方向的角度与上一帧图像中该直线与正南方向的角度的差来得到一帧图像时间间隔中指针所旋转的角度，比如我们将风杯受到风力后转动的方向定为顺时针方向，那么图5的下面部分的图中指针与图5的上面部分的图中指针相比较旋转了45°，根据上述图像识别与计算可以进行风向风速的计量。

接着我们考察在与水平面相垂直的平面上的风速风向的测量，即在YZ(或者是在XY)平面上的风速风向的测量，在本专利中采用了YZ平面，我们将与上述测量XY平面上的同样的风速风向传感器转动一个90°角度，将两个风向部分检测单元的主轴7的中心线配置在XZ平面上，一个传感器测量水平面(XY平面)上的风速风向，一个传感器测量垂直面(YZ平面)上的风速风向，形成一个可测量三维的风速风向传感器，其结构如图5所示。

图5中采用了两个视觉传感器分别检测XY平面和YZ平面上的风标与指针的转角来获得其各自平面上的风速风向信息，然后分别按上述方法分别计算出各自投影面上的风速风向数据。虽然采用两个视觉传感器能实现三维风速风向的检测，但是从严格意义上来说，要求同步协调地将两个视觉传感器同时完成各自平面上的检测是一件比较难的事，所谓的同步协调是要保证两个平面上的检测的采样时刻一致，如果采样时刻不一致的话对于高精度进行三维瞬时风速风向有困难，同时采用两个视觉传感器会增加生产成本与维护难度。因此如何采用一个视觉传感器来同时获得XY平面和YZ平面上的风标与指针的转角信息，这样不但能绝对保证检测采样时间的一致性，同时也能降低生产成本与维护难度。全方位视觉传感器能为这种需求提供解决方案，通过一个全方位视觉传感器同时检测XY平面和YZ平面上的风标与指针的转角来获得其各自平面上的风速风向信息，如图9所示，用该方法来检测两个相互垂直平面上风标与指针的转角。为了便于理解，该方法相当与用两个摄像头斜装一个角度来分别检测两个相互垂直平面上风标与指针的转角，如图10所示。

所述的全方位视觉传感器(ODVS)，其光学部分的制造技术方案主要由垂直向下的折反射镜和面向上的摄像头所构成。具体构成是由聚光透镜以及CCD构成的视觉传感器固定在由透明树脂或者玻璃制的圆筒体的下部，圆筒体的上部固定有一个向下的大曲率的折反射镜，在折反射镜和聚光透镜之间有一根直径逐渐变小的黑色圆锥状体，该圆锥状体固定在折反射镜的中部，黑色圆锥状体的目的是为了防止过剩的光射入而导致在圆筒体内部的光饱和以及通过圆筒体壁产生的光反射现象。图7是表示本发明的全方位成像装置的光学系统的原理图。

全方位视觉传感器的工作原理是：进入双曲面镜的中心的光，根据双曲面的镜面特性向着其虚焦点折射。实物图像经双曲面镜反射到聚光透镜中成像，在该成像平面上的一个点P(x，y)对应着实物在空间上的一个点的坐标A(X，Y，Z)。

图7中11-双曲线面镜，12-入射光线，13-双曲面镜的焦点Om(0，0，c)，14-双曲面镜的虚焦点即相机中心Oc(0，0，-c)，15-反射光线，16-成像平面，17-实物图像的空间坐标A(X，Y，Z)，18-入射到双曲面镜面上的图像的空间坐标，19-反射在成像平面上的点P(x，y)。

图7中所示的双曲面镜构成的光学系统可以由下面5个等式表示；

((X²+Y²)/a²)-(Z²/b²)＝-1(Z＞0)(5)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(6\right)$

β＝tan^-1(Y/X)(7)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/(b²+c²)cosγ(8)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(X^2+Y^2)}]---\left(9\right)$

式中X，Y，Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角-方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角-俯角，f表示成像平面到双曲面镜的虚焦点的距离。

所述的全方位视觉传感器结构如附图6所示。全方位视觉传感器能在水平方向上实现360°视觉范围，在垂直方向上实现90°视觉范围。

进一步，来说明360°全方位进行摄像的原理，空间上的一个点A(X，Y，Z)经折反射2镜面反射到透镜6上对应有一个投影点P(x，y)，通过透镜6的光线变成平行光投射到CCD(CMOS)视觉传感器5，微处理器7通过视频接口读入该环状图像，采用软件对该环状图像进行透视图展开得到按照XY平面和YZ平面上的视角分割的透视视频图像。

为了对透视图有一个较好的理解，如附图8所示，这里我们从双曲面的实焦点O m到透视投影坐标原点G引一条距离为D的直线O m-G，与这条O m-G相垂直的平面作为透视投影平面，从点A(X，Ｙ，Z)向着焦点O m的光线在透视投影平面上有一个交点P(X，Ｙ，Z)，如果将该交点P(X，Ｙ，Z)代入到公式(10)、(11)中就能容易地求的在成像平面上的P(x，y)点，因此可以通过从上述关系求得在透视投影平面上的各个点。

$x=\frac{\mathrm{Xf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(10\right)$

$y=\frac{\mathrm{Yf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(11\right)$

如图所示，双曲面镜的光轴为Z轴，摄像头向着Z轴的正方向设置，成像平面是摄像头的输入图像，我们将双曲面镜的光轴与成像平面的交点g作为成像平面的原点，其坐标系为x、y，x轴、y轴分别与摄像头中的感光芯片的长短边相一致，因此O m-XYZ坐标系的X轴与成像平面坐标系的x y平面平行。

透视投影平面是与O m-G连接线相垂直的平面，将G点作为原点的二元平面坐标系i，j，其中i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和O m-G轴直角相交的纵轴，将从透视投影平面到双曲面的焦点O m的距离作为D，定义透视投影平面的横幅为W，纵幅为H。由于i轴是与XY平面平行，又是与Z轴垂直的，因此所得到的透视投影平面是以G点为坐标中心与XY平面(水平面)上旋转一个角度，该角度就是O m-G连接线与Z轴的夹角。

这里我们将O m-G作为变换中心轴，点G作为变换中心点，用β(入射光线在XY平面上的夹角-方位角)、γ(入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角)以及距离D(透视投影平面到双曲面的焦点O m的距离)来表示变换中心轴，β角度在0°～360°范围内，可以由式(7)计算得到，同样也可以用式(12)来表示：

β＝tan^-1(Y/X)＝tan^-1(y/x)(12)

这里β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，以Z轴为原点(极坐标系的原点)逆时针方向，在0°～360°范围内(这是全方位视觉的水平视场范围)；γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，由式(9)所示，该角度与空间坐标与双曲面焦点位置有关，如果在双曲面焦点上作一个水平面的话，那么就是给水平面与O m-G轴的夹角，这里将空间坐标Z点在双曲面焦点以上的作为[+]，称为仰角，Z点在双曲面焦点以下的作为[-]，称为俯角；γ角度范围在-90°～+90°之间，根据不同的镜面设计就会有不同的γ角度范围(这是全方位视觉的垂直视场范围)；

距离D根据透视投影平面与双曲面焦点的直线距离来确定，一般来说，距离D越长景物越小，距离D越短景物越大，本发明中全方位视觉传感器主要用来观测XY平面和YZ平面上的风标与指针的转角，因此只要保证两个平面上风标与指针的转角都在透视投影平面的范围内，风标与指针的景物越大越好，所以我们将距离D取值为从双曲面焦点到观测平面上主轴7的中心点的距离；透视投影平面的横幅W、纵幅H可以由需要来确定，在确定横幅W、纵幅H大小时首先要确定显示窗的横纵比，在本专利中观测的最大范围就是各自平面上的风标转角范围，呈圆形，如附图14所示，因此所确定的透视投影平面只要能覆盖该圆形就能满足要求，所以显示窗的横纵比可以取值为1∶1，横幅W、纵幅H与圆形外径相同；由于在计算机中是用像素来表示横幅W、纵幅H的大小，因此要确定横幅W、纵幅H的像素值，因此可以参考风标转角的轨迹像素值来确定横幅W、纵幅H的像素值。

通过透视投影平面的坐标点P(i，j)求空间三坐标中的A(X，Y，Z)，这样就能得到投影平面与空间三坐标的转换关系，转换关系式用公式(13)来表示：

X＝R*cosβ-i*sinβ

Y＝R*sinβ+i*cosβ

Z＝D*sinγ-j*cosγ

(R＝D*cosγ+j*sinγ)(13)

式中：D为透视投影平面到双曲面的焦点O m的距离，β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和O m-G轴直角相交的纵轴，i轴与j轴的方向由附图8所示；

将上述用公式(13)求得的P(X，Y，Z)点代入公式(10)和(11)就能求得与透视投影平面的坐标点P(i，j)相对应的在成像平面上的P(x，y)点。这样就可以通过在成像平面上得到的图像信息求得全方位透视图，也就是说建立了成像平面上的坐标系与透视投影平面的坐标系的对应关系。有了这样的对应关系，我们就能从成像平面上得到的某个点的图像信息；通过两个坐标系的对应关系，将该点的图像信息正确地显示在透视投影平面相对应的位置上。

根据上述的两个分别表示XY平面和YZ平面上的风标与指针的转角的透视投影平面，接下来的问题是进行各自平面上的风速计量与风向计量；首先我们考虑在水平面上的风速计量与风向计量；

所述的水平面上的风速计量，根据《地面气象观测规范》要求，计算最大风速(maximum wind speed)是以在某个时段内出现的最大10分钟平均风速值；计算极大风速(extreme wind speed)是以在某个时段内出现的最大瞬时风速值。在自动气象站中，瞬时风速是指3秒钟的平均风速；计算日最大风速是从每日(20～20时)风速记录中分别截取10分钟线段的风速进行比较，选出最大值作为该日10分钟最大风速，并挑取相应的风向，注明该时段的终止时间，当日最大风速出现两次或以上相同时，可任挑其中1次的风向和终止时间。要求系统输出二分钟、十分钟平均风向风速；输出大风报警、航危报大风报警及解除警报的风向、风速及其出现时间，发出报警信号；每天20时输出日极大风速、最大风速及相应的风向、出现时间，日合计、日平均，并可随时显示各种瞬时值和平均值，存储24小时风向风速记录；

假定风速传感器的线形度比较好，我们可以按下列方式进行计算，如风杯每圈风程为2.5，经10∶1减速装置进行变速，每10圈相当于25米，风程(指针)每旋转360°，相当于一分钟内25米/60秒＝0.4M/S，相当于风程每旋转1°时25米/360°＝0.0694M/度，我们可以累计风程(指针)在一分钟内所旋转的角度，然后乘上0.0694M/度，得到一分钟内的平均风速；如果将计算机处理图像时间定为5帧/秒，一分钟需要处理300帧视频图像，因此我们可以累计风程(指针)经历处理300帧视频图像时间内的所旋转的角度，然后乘上0.0694M/度，得到一分钟内的平均风速；

首先计算水平面(即XY平面)的风速风向，为了要求最大瞬时风速值，瞬时风速是指3秒钟的平均风速，如果视频图像的采样间隔为5帧/秒，那么3秒钟时间相当于15帧视频图像的采样时间，累计风程(指针)经历处理15帧视频图像时间内的所旋转的角度，然后将该角度值代入公式(2)中的N/n，求得瞬时风速V_xy3(t)，并记录当时的时刻以及该时刻的瞬时风速V_xy3(t)；计算极大风速(extreme wind speed)是以在某个时段内出现的最大瞬时风速值，比如想要得到在晚间21点至22点时间段内的最大瞬时风速值V_{xy-extreme-wind-speed}(t)，因此可以由公式(14)进行计算，

V_{xy-extreme-wind-speed}(t)＝max(V_xy3(21:00:03)，V_xy3(21:00:06)，......，V_xy3(22:00:00))(14)

根据瞬时风速V_xy3(t)可以通过公式(15)求得一分钟内的平均风速V_xy(t)，

$V_{\mathrm{xy}}\left(t\right)=\underset{t=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{xy}3}(t-19)---\left(15\right)$

式中：V_xy3(t)表示3秒钟的平均风速，V_xy(t)表示一分钟的平均风速。

所述的二分钟平均风速的计量，可以通过公式(16)来求的二分钟平均风速，

$V_{\mathrm{xy}2}\left(t\right)=\frac{\underset{t=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{xy}}(t-1)}{2}---\left(16\right)$

式中：V_xy2(t)表示二分钟平均风速；V_xy(t)表示当前时刻所求得的一分钟内的平均风速；

所述的十分钟平均风速的计量，可以通过公式(17)来求的十分钟平均风速，

$V_{\mathrm{xy}10}\left(t\right)=\frac{\underset{t=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{xy}}(t-9)}{10}---\left(17\right)$

式中：V_xy10(t)表示十分钟平均风速；V_xy(t)表示当前时刻所求得的一分钟内的平均风速；

所述的日最大风速，根据《地面气象观测规范》要求，计算日最大风速是从每日(20～20时)风速记录中分别截取10分钟线段的风速进行比较，选出最大值作为该日10分钟最大风速，并挑取相应的风向，注明该时段的终止时间，当日最大风速出现两次或以上相同时，可任挑其中1次的风向和终止时间，因此有计算公式(18)来计算日最大风速V_xy10-max(t)，

V_xy10-max(t)＝max(V_xy10(20:10)，V_xy10(20:20)，......，V_xy10(20:00))(18)

上述的数据都是以计算日每日(20～20时)进行存放的，比如今天是8月8日，过了今晚20时后，计算日为8月9日。

所述的风向计量，根据《地面气象观测规范》要求，观测风向标3秒钟、2分钟、10分钟，记录其摆动范围的中间位置，与观测风速相类似，在每一帧图像中我们可以得到风标的转角_xyframe(t)，如果视频图像的采样间隔为5帧/秒，那么3秒钟时间相当于15帧视频图像的采样时间，我们可以用公式(19)求得3秒钟内的风标的摆动范围的中间位置，

式中：_xyframe(t)表示一帧图像中风标的转角，_xy3(t)表示3秒钟内的风标的摆动范围的中间位置；

同样道理，从_xy3(t)我们可以通过公式(20)非常方便的求得2分钟风标的摆动范围的中间位置，

(20)

式中：_xy2(t)表示2分钟风标的摆动范围的中间位置，_xy3(t)表示3秒钟内的风标的摆动范围的中间位置；

同样道理，从_xy2(t)我们可以通过公式(21)非常方便的求得10分钟风标的摆动范围的中间位置，

式中：_xy2(t)表示2分钟风标的摆动范围的中间位置，_xy10(t)表示10分钟内的风标的摆动范围的中间位置；

所述的垂直面(即YZ平面)上的风速和风向计量，与水平面上的风速和风向计量方法雷同，采用与上述同样的计算方法，分别得到V_yz3(t)、V_yz(t)、V_yz2(t)、V_yz10(t)、V_yz10-max(t)、_yz3(t)、_yz2(t)、_yz10(t)的值。

上述的各平面上的风速风向计量值均是以时间方式存储的，由于需要有3秒钟、2分钟、10分钟不同时间的风速风向计量值，本发明中采用了六张表，其中三张表是记录水平面(XY平面)的各风速风向计量值，另外三张表是记录垂直面(YZ平面)的各风速风向计量值，数据存储项目为表1所示，3秒钟、2分钟、10分钟的风速风向计量表中计量开始时间的间隔不同，对于3秒钟风速风向计量表在每一天中将自动产生28800条记录；对于2分钟风速风向计量表在每一天中将自动产生720条记录；对于10分钟风速风向计量表在每一天中将自动产生144条记录；

计算日	计量开始时刻	风速	风向

对于不同的输出要求，可以去查该信息所相对应的表，在当日20时输出日极大风速、最大风速及相应的风向、出现时间，日合计、日平均，可实现随时显示各种瞬时值和平均值，同时将上述的六张表进行备份保存，清空表内的记录。

所述三维的风速风向矢量计量，可以根据上述所采集的各检测平面所得到的数据，然后通过公式(1)进行矢量加运算，分别得到3秒钟、2分钟、10分钟的三维风速风向的计量值，

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{xyz}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{xy}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{yz}}---\left(1\right)$

式中：

表示一个三维的风速风向，表示该三维的风速风向在XY平面上的投影，

表示该三维的风速风向在YZ平面上的投影。公式(1.1)、(1.2)是公式(1)的分解计算式。

所述三维的风速风向传感器的标定，我们也可以通过在各检测平面上的标定来实现，即实现一个三维风速风向传感器的标定的过程是将其分解为两个二维风速风向传感器的标定来实现的。

所述的嵌入式系统，如附图15所示，其主要核心是嵌入式微处理器S3C2410X，是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，该处理器是为手持设备以及高性价比、低功耗微控制器而设计的。它采用了一种叫做AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)的新总线架构。S3C2410X内部的主要资源有内存管理单元MMU、系统管理器、各为16KB的指令和数据缓存、LCD控制器(STN&TFT)、NAND FLASH Boot Loader、3通道UART、4通道DMA、4个PWM时钟、1个内部时钟、8通道10为ADC、触摸屏接口、多媒体卡接口、I2C和I2S总线接口、2个USB主机接口、1个USB设备接口、SD主接口、2SPI接口、PLL时钟发生器以及通用I/O端口等。

所述的嵌入式微处理器S3C2410X内部包含一个叫MMU的内存管理单元，可以实现虚拟存储空间到物理存储空间的映射。通常嵌入式系统的程序存放在ROM/FLASH中，系统断电后程序能够得到保存，但ROM/FLASH与SDRAM相比，速度要慢的多，而且嵌入式系统中通常把异常中断向量表存放在RAM中，利用内存映射机构可以解决这种需要。

所述的ROM/FLASH采用三星公司64MB的K9S1208VOM。它可进行10万次的编程/擦除，数据保存长达10年，被用来装载操作系统镜像和大容量的数据。

所述的SDRAM是采用三星公司的K4S561632C，用来运行操作系统和存储程序运行过程中所需要的数据，它是4M*16bit*4bank的同步DRAM，容量为32MB。用两片K4S561632C实现位扩展，使数据总线宽度为32bit。

所述的嵌入式软件系统主要包括操作系统、TCP/IP协议的移植、驱动程序的安装以及用户应用程序的编写等。

本发明中采用了Linux作为嵌入式操作系统，Linux是从UNIX发展而来，继承了UNIX大多数的优点，Linux公开的内核源代码使得它成为目前最流行的操作系统，并且Linux可以从应用出发裁剪其硬件软件，这对面向基于机器视觉的风速风向传感器这种特殊需要来说十分必要，这里我们将其称为定制操作系统，定制步骤如下：(1)编写板基支持包BSP；(2)裁剪和配置操作系统的各个部件，并修改相应的配置文件；(3)编译Kernel、组件和BSP，生成操作系统镜像文件；(4)将镜像文件下载到目标板上，进行调试。

进一步，基于机器视觉的风速风向传感器的各种信息是要通过TCP/IP协议经无线局域网以数据打包、发送的方式来进行传输的，因此要在操作系统支持下实现TCP/IP协议，就需要进行任务划分，可以将TCP/IP的实现划分为4个任务来实现：①IP任务，主要用来解决IP分片的重组；②TCP输入任务，主要用来处理接收到的TCP报文段；③TCP输出任务，主要用来将要输出的数据打包、发送；④TCP定时器任务，主要用来为各种时延事件(如重发事件)提供时钟。

更进一步，基于全方位视觉的三维风速风向传感器中需要有两个USB接口，其中一个USB接口是将摄像头与S3C2410X进行连接，另一个USB接口是将无线网卡与S3C2410X进行连接，由于S3C2410X自带USB主从接口，不需要专门的USB芯片支持，只要对其安装驱动程序即可进行USB传输数据。

所述的USB驱动程序包含如下几个部分：(1)创建设备，创建设备函数带两个参数调用，一个参数是指向驱动程序对象的指针，另一个参数是指向物理设备对象的指针；(2)关闭设备；(3)读取设备数据，当客户应用程序有读取设备数据的要求时，系统将此要求以IRP_MJ_READ的IRP形式传递给功能驱动程序，由设备的D12Meter_Read程序执行，然后再由D12Meter_Read指定USB总线驱动程序直接与设备实现信息交互；(4)对设备写入数据，当客户应用程序有写设备数据的要求时，系统将此要求以IRP_MJ_WRITE的IRP形式传递给功能驱动程序，并由D12Meter_Write执行，然后再由D12Meter_Write指定USB总线驱动程序直接与设备实现信息交互。USB驱动程序通过安装文件(.inf文件)中PID(产品鉴别号)和VID(厂商鉴别号)鉴别USB设备。

当嵌入式操作系统装载完成后，就可以安装无线网卡的驱动程序和其他相应的应用程序。将无线网卡的驱动程序作为一个模块打包到操作系统中，可避免系统掉电后每次都要重装无线网卡驱动程序。

实施例2

其余与实施例1相同，所不同的是减速装置采用行星式齿轮减速，如附图11所示，图中有一大一小两个圆，两圆同心，在两圆之间的环形部分有另外三个小圆，所有的圆中最大的一个是内齿环，其他四个小圆都是齿轮，中间那个叫太阳轮，另外三个小圆叫行星轮。连接风杯和减速单元的轴带动减速机的太阳轮，太阳轮再驱动支撑在内齿环上的行星轮，行星轮通过其与外齿环的啮合传动，驱动与外齿环相连的输出轴，达到减速的目的。行星轮设计成上封闭式，封闭的一端向上，并在该端面上一个喷涂红色荧光指针形状，用于视频检测行星轮的转角。这种传动方式具有：1)传动比可达87，平均效率在92％以上；2)结构紧凑体积小；3)运转平稳噪声低；4)使用可靠寿命长等优点。

实施例3

其余与实施例1、2相同，采用风杯旋转动作时所产生的能量发电，所发的电能对机器视觉检测单元提供能源，实现无功耗、高质量的风速风向的测量。

实施例4

其余与实施例1、2相同，采用太阳能电池产生电能由常规充电电路与蓄电池相联，再由稳压器产生稳压电源，实现无功耗、高质量的风速风向的测量。

实施例5

其余与实施例1、2相同，所不同的是采用两个视觉传感器进行各自二维风速风向的检测，如图5所示，这里关键是要保证在不同的检测平面上的风速风向检测时刻的同步，可以在微处理器的软件中同时启动两个线程，使得所获得的XY平面和YZ平面上的风标与指针的转角的视频图像是发生在同一时刻，从而保证检测两个二维平面上的风速风向检测采样时间的一致性，提高检测精度。

上述的实施例1～5所产生的发明效果是通过三维风速风向传感器的可视化和一体化设计、图像识别、自动计量计算判断等手段，在提高风速风向测量的分辨率以及扩大量程范围的同时提高测量风速风向的精度，减轻风速风向传感器的安装、调整、维护和误差检定的难度，降低了三维风速风向传感器的标定难度，满足了水文气象部门急需的高精度三维风速风向观测设备的要求，将光、机、电、通信、图像处理等技术集成在一起，实现了智能化计算，消除了各种测量误差，提高了风速风向传感器的分辨力和测量精度，减少了各种功耗，实现了风速风向的自动数据采集处理，提供各种通信手段以及各种控制功能，能在非常恶劣的环境条件下可靠工作，同时该风速风向传感器支持各种网络通信，能方便地进行组网，对同时把握区域的三维风速风向分布情况提供了一种新的手段。实现了测量过程的自动化、记录过程的无纸化、计量过程的数字化以及检测传感的网络化，同时也能使检测者通过远程直接人工观测现场的三维风速风向的视频图像。

Claims (8)

1.一种基于全方位视觉的三维风速风向测量装置，其特征在于：所述的三维风速风向测量装置包括支架、风杯、减速机构、固定连接杆、风标、风向方位块、视觉传感器和检测风速风向用微处理器，在支架的水平方向和垂直方向都安装风杯、减速机构、固定连接杆、风标和风向方位块，所述的视觉传感器安装在支架上，所述的风杯与减速机构的输入轴上端固定连接，所述减速机构的输入轴下端套接在固定连接杆的上端，所述的风标套装在连接轴上，所述的连接轴与固定连接杆下端固定连接，所述的风标的端部安装风向方位块，所述风向方位块的上端的高度与所述减速机构位于同一平面，在减速机构的输入轴和输出轴上分别安装指针，所述的两个指针、风向方位块的上方设有设定的标记颜色；

所述的视觉传感器为全方位视觉传感器，包括外凸折反射镜面、用以防止光折射和光饱和的黑色圆锥体、透明圆柱体和用于拍摄外凸反射镜面上成像体的摄像头，所述的外凸折反射镜面位于透明圆柱体的上方，外凸折反射镜面朝下，黑色圆锥体固定在外凸折反射镜面的底部中央，所述摄像头对着外凸折反射镜面朝上；所述视觉传感器的视觉范围包括水平方向的减速机构所在平面和垂直方向的减速机构所在平面；

所述的检测风速风向用微处理器包括：

图像数据读取模块，用于读取摄像单元传过来的视频图像信息；

检测领域分割模块，用于将从全方位视觉传感器获取的全方位视频信息分割为水平方向视频和垂直方向视频，水平方向对应XY平面，垂直方向对应YZ平面；

色彩空间转化模块，用于将视频图像从RGB色彩空间转换到YUV空间；

转角计算模块，用于计算所述XY平面和YZ平面的两个指针和风向方位块的转角，将视频图像转化为二值化图像，预设风向方位块和两个指针在二值化图像上的转动中心点，视觉平面的横轴为南北向，纵轴为东西向，当风向发生变化时风向方位块就会回绕着转动中心点转动，当风杯受到风力后，有明显颜色特征的指针也会回绕着该中心点转动，风向方位块的中心与转动中心点之间的直线的倾斜角为风向方位块的转角，指针的中心与转动中心点之间的直线的倾斜角为指针的转角；

风速检测模块，用于检测水平二维平面上的风速，设定每帧图像的观测处理时间，观测减速机构中的输入轴和输出轴上指针的角度，当微风时，N来表示单位时间内风杯旋转的角度，即输入轴上指针旋转的角度，风速与风杯旋转的角度之间的关系由公式(2)表示；

V＝a+bN+cN²    (2)

上式中：V表示风速，以米/秒为单位，N表示单位时间内风杯旋转的角度，a，b，c表示风洞标定常数；

当强风时，减速机构的减速比为n，风速与减速机构的输出轴旋转的角度之间的关系由公式(3)表示：

V＝a+bN/n+c(N/n)²    (3)

上式中：V表示风速，以米/秒为单位，N/n表示单位时间内减速机构的输出轴旋转的角度；a，b，c表示风洞标定常数；

风向检测模块，用于检测所述XY平面和YZ平面的风向，设定每帧图像的观测处理时间，观测风向标的角度，记录其摆动范围的中间位置，每一帧图像得到风标的转角_frame(t)；

将上述得到的两个二维的风速风向矢量进行矢量加得到的三维的风速风向矢量，由公式(1)来进行计算，

${\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{xyz}}={\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{xy}}+{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{yz}}---\left(1\right)$

上式中：

表示一个三维的风速风向，表示该三维的风速风向在XY平面上的投影，表示该三维的风速风向在YZ平面上的投影。

2.如权利要求1所述的基于计算机视觉的智能风速风向测量装置，其特征在于：在所述风速检测模块中，包括瞬时风速计算单元、最大瞬时风速计算单元、一分钟平均风速计算单元、二分钟平均风速计算单元、十分钟平均风速计算单元以及日最大风速计算单元，其中，

瞬时风速计算单元，用于计算所述XY平面和YZ平面的3秒钟的平均风速，设定视频图像的采样间隔为5帧/秒，3秒钟为15帧视频图像的采样时间，累计减速机构的输出轴的指针经历处理15帧视频图像时间内的所旋转的角度，将该角度值代入公式(2)中的N/n，求得瞬时风速V₃(t)；

最大瞬时风速计算单元，用于统计在设定时段内出现的最大瞬时风速值；一分钟平均风速计算单元，用于根据瞬时风速V₃(t)通过公式(14)求得一分钟内的平均风速V(t)：

$V\left(t\right)=\underset{t=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{V}_3(t-19)---\left(14\right)$

式中：V₃(t)表示3秒钟的平均风速，V(t)表示一分钟的平均风速；二分钟平均风速计算单元，用于根据一分钟的平均风速V(t)通过公式(15)来求的二分钟平均风速：

$V_2\left(t\right)=\frac{\underset{t=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}V(t-1)}{2}---\left(15\right)$

式中：V₂(t)表示二分钟平均风速；V(t)表示当前时刻所求得的一分钟内的平均风速；

十分钟平均风速计算单元，用于根据一分钟的平均风速V(t)通过公式(16)来求的十分钟平均风速：

$V_{10}\left(t\right)=\frac{\underset{t=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}V(t-9)}{10}---\left(16\right)$

式中：V₁₀(t)表示十分钟平均风速；V(t)表示当前时刻所求得的一分钟内的平均风速；

日最大风速计算单元，用于根据每日20时～次日20时风速记录中分别截取10分钟线段的风速进行比较，选出最大值作为该日10分钟最大风速，通过计算公式(17)来计算日最大风速V_10-max(t)：

V_10-max(t)＝max(V₁₀(20:10)，V₁₀(20:20)，......，V₁₀(20:00))    (17)。

3.如权利要求1或2所述的基于计算机视觉的智能风速风向测量装置，其特征在于：在所述风向检测模块中，包括瞬时风向计算单元、二分钟平均风向计算单元以及十分钟平均风向计算单元，其中，

瞬时风向计算单元，用于观测所述XY平面和YZ平面的在每一帧图像中得到风标的转角_frame(t)，视频图像的采样间隔为5帧/秒，3秒钟为15帧视频图像的采样时间，用公式(18)求得3秒钟内的风标的摆动范围的中间位置：

式中：_frame(t)表示一帧图像中风标的转角，₃(t)表示3秒钟内的风标的摆动范围的中间位置；

二分钟平均风向计算单元，用于根据₃(t)通过公式(19)求得两分钟风标的摆动范围的中间位置，

式中：₂(t)表示两分钟风标的摆动范围的中间位置，₃(t)表示3秒钟内的风标的摆动范围的中间位置；

十分钟平均风向计算单元，用于根据₂(t)通过公式(20)求得十分钟风标的摆动范围的中间位置，

式中：₁₀(t)表示十分钟风标的摆动范围的中间位置，₂(t)表示两分钟内的风标的摆动范围的中间位置。

4.如权利要求3所述的基于计算机视觉的智能风速风向测量装置，其特征在于：所述的减速机构包括小齿轮和大齿轮，所述的输入轴与小齿轮联接，所述小齿轮与大齿轮啮合，所述大齿轮与输出轴联接。

5.如权利要求3所述的基于计算机视觉的智能风速风向测量装置，其特征在于：所述的减速机构为行星式齿轮减速机构，所述行星式减速机构包括内齿环、齿轮和太阳轮，太阳轮与输入轴联接，所述内齿环与输出轴联接。

6.如权利要求4所述的基于计算机视觉的智能风速风向测量装置，其特征在于：所述的两个指针、风向方位块的上方涂有荧光材料。

7.如权利要求3所述的基于计算机视觉的智能风速风向测量装置，其特征在于：所述的连接轴上安装指南针。

8.如权利要求3所述的基于计算机视觉的智能风速风向测量装置，其特征在于：所述的测量装置还包括充电电路，所述的减速机构的输入轴连接发电机，所述发电机连接充电电路，所述的充电电路连接微处理器。

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