CN104316721A - 一种带有运动姿态补偿的风速风向动态测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有运动姿态补偿的风速风向动态测量方法及装置，由于在超声发射/接收传感器进行测量风速和风向的同时采用带有运动姿态补偿的风速风向仪，并将超声发射/接收传感器的测量结果结合有运动姿态补偿的风速风向仪的测量数据，有效补偿修正载体的运动和摇摆对风速风向测量结果的影响，提高测量精度。因此，本发明可以广泛用于船舶、飞行器等等具有三维运动特征的设备上进行风速风向测量。

Description

一种带有运动姿态补偿的风速风向动态测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种风速风向测量方法及装置，特别是关于一种带有运动姿态补偿的风速风向动态测量方法及装置。

背景技术

风速风向测量装置是一种可同时测量风的速度和方向的检测装置，广泛应用于船舶、飞机、气象测量领域的超声发射/接收传感器，早期的风速风向测量装置采用风车叶轮式结构，由于有运动部件，使用寿命和测量精度均受到限制，近年出现了采用超声发射/接收传感器的固态风速风向测量装置，其精度和可靠性较叶轮式的风速风向仪有很大的提高，在国内外船舶及气象领域得到了广泛的应用。

由于超声发射/接收传感器采用测量不同方向声波的传播时间的方法测量风速和风向，因此其测量结果易受到超声发射/接收传感器倾斜的影响，当风速风向测量仪安装在移动和摇摆的载体如在船舶上使用时，特别是利用风帆或者风翼助航的船舶，这种误差将对船舶的航行效率和安全带来影响。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种解决由于载体的运动和摇摆给测量带来误差的问题的带有运动姿态补偿的风速风向动态测量方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种带有运动姿态补偿的风速风向动态测量方法，其包括以下步骤：1)相对设置两对测量风速和风向的超声发射/接收传感器，且超声发射/接收传感器在同一平面的同一周向上，并设其中一对超声发射/接收传感器连成的直线为X轴，另一对超声发射/接收传感器连成的直线为Y轴；2)通过相对设置的超声发射/接收传感器之间互为发送超声波的发送和接收端，得到在顺风、逆风的条件下超声波的传播时间差，计算出风速V_w；3)风向与X轴的夹角为β，将任意方向的风速V_w分解为X方向分量V_wx和Y方向分量V_wy，且则带有姿态补偿的风速：

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{wx}}=V_w\cos \mathrm{\β}\\ V_{\mathrm{wy}}=V_w\sin \mathrm{\β}\end{array};$ 带有姿态补偿的风向为： $\mathrm{\β=arccos}\left(\frac{V_{\mathrm{wx}}}{V_w}\right).$

步骤2)中通过以下方法得到风速V_w：①当相对设置的两个超声发射/接收传感器之间通过反射板进行超声波传输时：设相对设置的两个超声发射/接收传感器的发射方向和接收方向与超声发射/接收传感器安装平面的夹角均为θ，载体倾斜的倾角为α，风向与超声发射/接收传感器发射波束的方向夹角为θ₁，风向与反射波束的夹角为θ₂，且θ₁＝θ+α，θ₂＝θ-α；设超声波顺风从一个超声发射/接收传感器到相对设置的另一个超声发射/接收传感器的传播时间t₁₂，逆风传播时间t₂₁，风速为V_w，超声波传播速度为V_s时，可得顺风超声波的传播时间 $t_{12}=\frac{S_1}{V_s+V_w\cos {\mathrm{\θ}}_1}+\frac{S_2}{V_s+V_w\cos {\mathrm{\θ}}_2};$ 逆风超声波的传播时间 $t_{21}=\frac{S_1}{V_s-V_w\cos {\mathrm{\θ}}_1}+\frac{S_2}{V_s-V_w\cos {\mathrm{\θ}}_2},$ 其中S₁是正向发射超声波的传播路径长度，S₂是反向发射超声波的传播路径长度，顺风和逆风超声波的传播时间差： $t_{21}-t_{12}=\frac{2S_1{V}_w\cos {\mathrm{\θ}}_1}{{V_s}^2-V_w^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{2S_2{V}_w\cos {\mathrm{\θ}}_2}{{V_s}^2-V_w^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2};$ 由于S₁＝S₂＝S，S是相对设置的两个超声发射/接收传感器之间的超声波传播路径长度，且V_s＞＞V_w，则顺风和逆风超声波的传播时间差：风速 $V_w=\frac{{V_s}^2(t_{21}-t_{12})}{2S(\cos {\mathrm{\θ}}_1+\cos {\mathrm{\θ}}_2)}=\frac{{V_s}^2(t_{21}-t_{12})}{2S(\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})+\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}))};$ ②当相对设置的两个超声发射/接收传感器之间直接进行超声波传输时：风速

一种带有运动姿态补偿的风速风向动态测量装置，其特征在于：它包括检测单元、信号处理单元和运动姿态测量单元；所述检测单元包括设置在载体上垂直设置的安装壳体上的若干超声发射/接收传感器，所述超声发射/接收传感器的发射部分分别电连接所述信号处理单元；所述信号处理单元包括超声波信号接收与放大电路、微处理器、超声波输出驱动电路、显示屏和输入装置，所述超声波信号接收与放大电路分别电连接所述超声发射/接收传感器的发射部分；所述微处理器分别电连接所述超声波输出驱动电路、所述显示屏、所述输入装置和所述运动姿态测量单元，且所述超声波输出驱动电路分别电连接所述超声发射/接收传感器的发射部分；所述运动姿态测量单元用于测量载体的运动和姿态数据。

所述姿态测量单元采用三轴加速度计和三轴陀螺仪或二者的集成设备。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明由于在超声发射/接收传感器进行测量风速和风向的同时采用带有运动姿态补偿的风速风向仪，并将超声发射/接收传感器的测量结果结合有运动姿态补偿的风速风向仪的测量数据，有效补偿修正载体的运动和摇摆对风速风向测量结果的影响，提高测量精度。因此，本发明可以广泛用于船舶、飞行器等等具有三维运动特征的设备上进行风速风向测量。

附图说明

图1是本发明装置结构图

图2是本发明采用的壳体示意图

图3是本发明的工作流程示意图

图4是载体倾斜时风速风向与超声波传播路径关系示意图

图5是垂直安装的两对超声发射/接收传感器测量任意方向风向风速俯视图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明装置包括检测单元1、信号处理单元2和运动姿态测量单元3。

其中，检测单元1包括设置在载体上垂直设置的安装壳体上的若干超声发射/接收传感器，超声发射/接收传感器的发射部分分别电连接信号处理单元2。信号处理单元2包括超声波信号接收与放大电路21、微处理器22、超声波输出驱动电路23、显示屏24和输入装置25，超声波信号接收与放大电路21分别电连接超声发射/接收传感器的接收部分；微处理器22分别电连接超声波输出驱动电路23、显示屏24、输入装置25和运动姿态测量单元3，且超声波输出驱动电路23分别电连接超声发射/接收传感器的发射部分。运动姿态测量单元3用于测量载体的运动和姿态数据，一般设置在安装壳体的上表面。它采用现有技术中的三轴加速度计和三轴陀螺仪或二者的集成，如Invensence公司生产的MPU6050；三轴加速度计用于测量载体在X、Y、Z三个方向的加速度，三轴陀螺仪用于测量载体的航向、横滚和俯仰角速度，通过运算可以得到载体的倾斜角度。

如图2(a)和2(b)所示，超声发射/接收传感器设置在安装壳体上，安装壳体垂直安装在载体上。目前常用的安装壳体一般包括两种，当采用如图2(a)所示的安装壳体时，优选采用四个超声发射/接收传感器均匀设置在安装壳体的上表面的同一圆周上，且每两个超声发射/接收传感器相对称设置，每个超声发射/接收传感器的发射/接收方向与安装壳体的上表面呈45度角，以此形成超声波的传输路径为通过反射板传输。当采用如图2(b)所示的安装壳体时，优选采用四个超声发射/接收传感器均匀水平设置在同一个平面上，且相对设置的两个超声发射/接收传感器之间的距离相等，以此形成超声波的传播路径为直线传输。

上述实施例中，输入装置25采用键盘。

如图3所示，本发明装置工作时：

1)微处理器22进行初始化，向超声波输出驱动电路23发送脉冲以驱动超声发射/接收传感器的发射部分发射超声波，相对设置的超声发射/接收传感器接收该超声波，通过超声波信号接收与放大电路21将接收的信号进行放大、滤波处理得到信号传送给微处理器22，进而得到超声波在两个相对设置的超声发射/接收传感器之间的传播时间，并设该时间为顺风情况下的传播时间t₁₂；

2)微处理器22将步骤1)中接收超声波的超声发射/接收传感器发射超声波，相对设置接收超声波，根据步骤1)同样的原理得到二者之间的传播时间，并将该时间设为逆风情况下的传播时间t₂₁；(设先得到的是超声波在空气中传播的逆风时间，且需要说明的是先得到为顺风时间后得到逆风时间只是为了更好的说明本发明)；

3)微处理器22结合顺风情况下的传播时间t₁₂、逆风情况下的传播时间t₂₁和运动姿态测量单元3传送的载体在X、Y、Z三个方向的加速度，三轴陀螺仪用于测量载体的航向、横滚和俯仰角速度，对风速和风向进行补偿，以得到真实的风向数据，并将结果通过显示屏24进行显示，本发明还可以通过输入装置25进行参数设定、标定和校准。

本发明方法包括以下步骤：

1)相对设置两对测量风速和风向的超声发射/接收传感器，且超声发射/接收传感器在同一平面的同一周向上，并设其中一对超声发射/接收传感器连成的直线为X轴，另一对超声发射/接收传感器连成的直线为Y轴；

2)通过相对设置的超声发射/接收传感器之间互为发送超声波的发送和接收端，得到在顺风、逆风的条件下超声波的传播时间差，计算出风速V_w；

①当超声波通过反射板进行超声波传输时，即如图2(a)所示的安装壳体时，采用四个超声发射/接收传感器均匀设置在安装壳体的上表面的同一圆周上，且每两个超声发射/接收传感器相对称设置，每个超声发射/接收传感器的发射/接收方向与安装壳体的上表面呈45度角，以此形成超声波的传输路径为通过反射板传输。如图4所示，当载体倾斜时风向与超声波传播路径的关系示意图中，设相对设置的两个超声发射/接收传感器1和2间的发射方向和接收方向与超声发射/接收传感器安装平面的夹角均为θ，且范围在30～60度，载体倾斜的倾角为α，且范围在-60～+60度之间，风向与超声发射/接收传感器发射波束的方向夹角为θ₁，且范围在0～180度，风向与反射波束的夹角为θ₂，且范围在0～180度，显然，θ₁＝θ+α，θ₂＝θ-α。

测量时，首先由超声发射/接收传感器1的发射单元发射超声波，经反射板反射至超声发射/接收传感器2的接收单元，设超声波从1到2(顺风)的传播时间t₁₂，之后再由超声发射/接收传感器2的发射单元发射超声波，经反射板反射至超声发射/接收传感器1的接收单元，处理器记录超声波从2至1(逆风)的传播时间t₂₁，从超声发射/接收传感器1发射点至反射点的方向与水平方向(风向)的夹角为θ₁，从反射点至超声发射/接收传感器2的方向与水平方向的夹角为θ₂，设风速为V_w，S₁是正向发射超声波的传播路径长度，S₂是反向发射超声波的传播路径长度，超声波传播速度为V_s时，可得顺风超声波的传播时间t₁₂和逆风超声波的传播时间t₂₁：

$t_{12}=\frac{S_1}{V_s+V_w\cos {\mathrm{\θ}}_1}+\frac{S_2}{V_s+V_w\cos {\mathrm{\θ}}_2}---\left(1\right)$

$t_{21}=\frac{S_1}{V_s-V_w\cos {\mathrm{\θ}}_1}+\frac{S_2}{V_s-V_w\cos {\mathrm{\θ}}_2}---\left(2\right)$

顺风和逆风超声波的传播时间差：

$t_{21}-t_{12}=\frac{2S_1{V}_w\cos {\mathrm{\θ}}_1}{{V_s}^2-V_w^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{2S_2{V}_w\cos {\mathrm{\θ}}_2}{{V_s}^2-V_w^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2}---\left(3\right)$

由于S₁＝S₂＝S，S是相对设置的两个超声发射/接收传感器之间的超声波传播路径长度，并且V_s＞＞V_w，则顺风和逆风超声波的传播时间差：

$t_{21}-t_{12}=\frac{2{\mathrm{SV}}_w(\cos {\mathrm{\θ}}_1+\cos {\mathrm{\θ}}_2)}{{V_s}^2}---\left(4\right)$

$V_w=\frac{{V_s}^2(t_{21}-t_{12})}{2S(\cos {\mathrm{\θ}}_1+\cos {\mathrm{\θ}}_2)}---\left(5\right)$

$V_w=\frac{{V_s}^2(t_{21}-t_{12})}{2S(\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})\mathrm{\θ}+\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}))}---\left(6\right)$

②当超声波直接进行超声波传输时：

当超声波为直接传输方式时，其他的参数与当超声波通过反射板进行超声波传输时相同，不同点在于：θ＝0，则考虑载体倾斜影响时风速的计算公式：

$V_w=\frac{{V_s}^2(t_{21}-t_{12})}{4S\cos \left(\mathrm{\α}\right)}---\left(7\right)$

当不考虑载体倾斜影响时风速时，超声波通过反射板进行超声波传输时风速，即式(6)变为

$V_w=\frac{{V_s}^2(t_{21}-t_{12})}{4S\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(8\right)$

当不考虑载体倾斜影响时风速时，超声波直接进行传输式时风速，即式(7)变为

$V_w=\frac{{V_s}^2(t_{21}-t_{12})}{4S\cos }---\left(9\right)$

式(8)、(9)即为载体没有倾斜时风速计算公式，由此可知，当载体倾斜时，风速不仅与测量到的时间差有关，还与载体倾角有关，因此不进行姿态补偿将会引起较大误差。

3)由于风向具有随机性，一对超声发射/接收传感器不能满足测量不同方向的风速风向的要求，因此一般采用两对相互垂直安装的超声发射/接收传感器同时测量风速和风向，如图5所示的超声发射/接收传感器安装示意图，设沿东西方向为X轴，南北方向为Y轴，风向与东西方向的夹角为β，且范围在0～180度，将任意方向的风速V_w分解为X方向分量V_wx和Y方向分量V_wy，则

$\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{wx}}=V_w\cos \mathrm{\β}\\ V_{\mathrm{wy}}=V_w\sin \mathrm{\β}\end{array}---\left(10\right)$

在测量时，可首先通过式(6)或式(7)求得V_wx和V_wy，再求得风速V_w为

$V_w=\sqrt{V_{\mathrm{wx}}^2+V_{\mathrm{wy}}^2}---\left(11\right)$

风向为

$\mathrm{\β}=\arccos \left(\frac{V_{\mathrm{wx}}}{V_x}\right)---\left(12\right)$

式(6)、式(7)和式(11)、式(12)为带有姿态补偿的风速风向的计算公式。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种带有运动姿态补偿的风速风向动态测量方法，其包括以下步骤：

1)相对设置两对测量风速和风向的超声发射/接收传感器，且超声发射/接收传感器在同一平面的同一周向上，并设其中一对超声发射/接收传感器连成的直线为X轴，另一对超声发射/接收传感器连成的直线为Y轴；

2)通过相对设置的超声发射/接收传感器之间互为发送超声波的发送和接收端，得到在顺风、逆风的条件下超声波的传播时间差，计算出风速V_w；

3)风向与X轴的夹角为β，将任意方向的风速V_w分解为X方向分量V_wx和Y方向分量，且则带有姿态补偿的风速：

V_wx＝V_wcosβ

V_wy＝V_wsinβ

带有姿态补偿的风向为：

$\mathrm{\β}=\arccos \left(\frac{V_{\mathrm{wx}}}{V_w}\right).$

2.如权利要求1所述的一种带有运动姿态补偿的风速风向动态测量方法，其特征在于：步骤2)中通过以下方法得到风速V_w：

①当相对设置的两个超声发射/接收传感器之间通过反射板进行超声波传输时：

设相对设置的两个超声发射/接收传感器的发射方向和接收方向与超声发射/接收传感器安装平面的夹角均为θ，载体倾斜的倾角为α，风向与超声发射/接收传感器发射波束的方向夹角为θ₁，风向与反射波束的夹角为θ₂，且θ₁＝θ+α，θ₂＝θ-α；

设超声波顺风从一个超声发射/接收传感器到相对设置的另一个超声发射/接收传感器的传播时间t₁₂，逆风传播时间t₂₁，风速为V_w，超声波传播速度为V_s时，可得顺风超声波的传播时间逆风超声波的传播时间其中S₁是正向发射超声波的传播路径长度，S₂是反向发射超声波的传播路径长度，顺风和逆风超声波的传播时间差：

$t_{21}-t_{12}=\frac{{2S}_1{V}_w\cos {\mathrm{\θ}}_1}{V_s^2-V_w^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}+\frac{{2S}_2{V}_w\cos {\mathrm{\θ}}_2}{V_s^2-V_w^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2}$

由于S₁＝S₂＝S，S是相对设置的两个超声发射/接收传感器之间的超声波传播路径长度，且V_s＞＞V_w，则顺风和逆风超声波的传播时间差：

$t_{21}-t_{12}=\frac{{2\mathrm{SV}}_w(\cos {\mathrm{\θ}}_1+\cos {\mathrm{\θ}}_2)}{V_s^2}$

风速 $V_w=\frac{V_s^2(t_{21}-t_{12})}{2S(\cos {\mathrm{\θ}}_1+\cos {\mathrm{\θ}}_2)}=\frac{V_s^2(t_{21}-t_{12})}{2S(\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})+\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α}))};$

②当相对设置的两个超声发射/接收传感器之间直接进行超声波传输时：风速 $V_w=\frac{V_s^2(t_{21}-t_{12})}{4S\cos \left(\mathrm{\α}\right)}.$

3.一种实现如权利要求1或2所述的带有运动姿态补偿的风速风向动态测量方法的装置，其特征在于：它包括检测单元、信号处理单元和运动姿态测量单元；所述检测单元包括设置在载体上垂直设置的安装壳体上的若干超声发射/接收传感器，所述超声发射/接收传感器的发射部分分别电连接所述信号处理单元；所述信号处理单元包括超声波信号接收与放大电路、微处理器、超声波输出驱动电路、显示屏和输入装置，所述超声波信号接收与放大电路分别电连接所述超声发射/接收传感器的发射部分；所述微处理器分别电连接所述超声波输出驱动电路、所述显示屏、所述输入装置和所述运动姿态测量单元，且所述超声波输出驱动电路分别电连接所述超声发射/接收传感器的发射部分；所述运动姿态测量单元用于测量载体的运动和姿态数据。

4.如权利要求3所述的一种带有运动姿态补偿的风速风向动态测量装置，其特征在于：所述姿态测量单元采用三轴加速度计和三轴陀螺仪或二者的集成设备。