CN105954820A - 下投式风场探测仪及探测方法 - Google Patents

Abstract

一种下投式风场探测仪及探测方法，包括伞翼系统和控制系统，控制系统悬挂在伞翼系统的负载控制箱里。通过空中下投的方式对随海拔高度变化的工作空域风场进行探测，可实时跟踪变化风场的横向和纵向分布。其中，伞翼系统包括伞翼、操纵绳、伞绳、吊带和负载控制箱。负载控制箱放置控制系统和减振底座腔。控制系统计算得出实时风场信息，并在地面站上实时显示。通过实际探测实验可验证下投式的风场探测仪可对风场进行准确探测，在较短时间内跟踪风场的变化趋势，探测的风向平均绝对误差为3.2°，风速平均绝对误差为0.27m/s，具有较高的精度。

Description

下投式风场探测仪及探测方法

技术领域

本发明属于无人机飞行器控制领域，设计一种新型的下投式风场探测仪。

背景技术

无人机的结构简单、造价低廉，既可用于小范围探测侦察、运送紧急物资等军事用途，也可用于航拍、喷洒农药、港口消雾等民用用途。由于其速度较低，易受到大气环境条件的影响，事实上，即使在飞行器设计相当完善的今天，风场扰动仍是造成任务执行失败的重要原因之一，因此在无人机执行任务之前，需对工作空域内的变化风场进行探测，规划合理的飞行轨迹以及设计相应的抗风扰控制策略，保证无人机顺利执行任务。现有的获取风场信息的方法主要为模型预测和设备测量两种。模型预测主要着重于对平均风速风向的研究，例如对风力发电场的历史气象数据进行建模和分析，可以预测一段时间内的总体风向和风力情况，为预测天气状况和风力发电场的部署和朝向提供指导，但通过模型预测方法得到的平均风速风向不能满足无人机系统执行任务对实时风场信息的要求。

目前普遍是利用设备进行实时测量，如定点安装风速仪，由于只能对单点进行准确测量，无法对不同高度的分层风场进行探测，限制了应用范围，但若在无人机上安装风速传感器，由于风速传感器的数据精度容易受无人机系统姿态波动的影响，不易得到系统周围的风场信息。美国乔治亚理工学院宇航学院曾利用基于地面的激光雷达系统对无人机作业区域附近的风场进行离散采样(见会议AIAA Aerodynamic decelerator systems(ADS)conference,Utilizing Ground-Based LIDAR for Autonomous Airdrop.http:dx.doi.org/10.2514/6.2013-1387)，获得风廓数据，并将风廓数据实时传送给无人机系统来调整其飞行状态，这种方法能够准确测量出着陆点及其周围的风场信息，但该测量风场方法成本较高，实现起来较麻烦，且不适宜用在地面激光雷达设置受限的地方，降低了系统的实用性。或采用光学遥感仪器对高层大气风场进行测量，灵敏度较高，美国航空航天局(NASA)采用风成像干涉仪(WINDII)探测卫星覆盖范围的大气风场，所探测光源谱线波长分别为557.7nm和630.0nm的绿光与红光极光谱线，获得了大量精确的高层大气风场信息，但无法提供精确的局部区域详细的风场信息，对于无人机执行任务而言，当从高海拔区域飞至低海拔区域时，需要的是整个工作空域风场的分层信息，因此为了能实时跟踪出无人机飞行过程中从高海拔区域到低海拔区域的整个风场的变化趋势与风场分布，获得更加精确的风场数据，期望有一种装置简单、成本较低、探测方法易实现、并且精度较高的一种风场探测设备。

发明内容：

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种下投式风场探测仪及探测方法，通过空中下投的方法简单方便的实现从高海拔区域到低海拔区域的变化风场的探测，可实时跟踪变化风场的横向和纵向分布，并且精度较高，造价低廉。

本发明提供的下投式风场探测仪，包括伞翼系统和控制系统；

伞翼系统包括：伞翼1，和用于操纵伞翼后缘的左右两根操纵绳2，伞翼通过伞绳3和吊带4与负载控制箱5相连，负载控制箱内设置有一个T型隔板11，控制系统固定在伞翼系统的负载控制箱里的T型隔板11上，从高空进行投放时，伞翼在载重物重力的牵引下，在空中会沿着前缘方向进行运动。

控制系统包括分别固定在T型隔板11上左右两侧的左右两个舵机13和23，两个舵机轴上分别通过连轴器15或25各安装一个用于拉动伞翼系统操纵绳的载线盘14或24，一个舵机驱动器16或17与九轴陀螺仪20固定在T型隔板一侧的舵机的下方，另一个舵机驱动器17或16与气压高度计21固定在T型隔板另一侧的舵机的下方，两个舵机驱动器的输出分别对应连接两个舵机中的一个。控制系统中的主控制模块12、电源模块18与数传模块19固定于T型隔板的横隔板外面，主控制模块12分别与舵机驱动器16和17电连接，用于将舵机控制PWM信号传递给舵机驱动器，控制舵机带动载线盘运动。GPS定位采集模块22固定在T型隔板的横隔板里面与气压高度计21和九轴陀螺仪20分别电连接主控制模块的输入端，主控制模块的输出端双向连接数传模块19。电源模块为舵机驱动器，主控制模块、数传模块、GPS定位采集模块、气压高度计和九轴陀螺仪提供电源。风场探测仪的结构如图1-4所示。

所述的负载控制箱为圆柱体形状，如图1所示，圆柱体形状的负载控制箱可使探测风场时接触的风场面积更加均匀，有利于风场探测的精度和实时性，负载控制箱包括箱体、带有穿线孔7的上帽6和减振底座腔8，伞翼操纵绳通过穿线孔7分别固定在载线盘14或24上。

所述的减振底座腔为密封结构，如图2所示，底座腔侧壁设有充气嘴9，通过充气嘴9对底座腔充气，使减振底座腔内充满空气，减振底座腔的上表面是由减振材料制成的薄膜10，当系统降落在地面时，减振底座腔的减振作用可使负载控制箱不受损害，方便重复使用。

所述的控制系统中的主控制模块包括信息预处理模块和风场测试模块，其中根据连续k次采集到的GPS定位数据以及采集频率可求出风场探测仪相对地面的水平飞行速作为风场测试模块的输入信号。而在风场测试模块中，主控制模块发送PWM信号输出给舵机驱动器，控制舵机带动载线盘使操纵绳下拉一定幅度，系统在风场中运动时会处于转弯飞行状态，即为顺风状态时，速度最大，逆风状态时速度最小，即系统相对地面的速度为风场探测仪相对大气的速度与风速之间的矢量和，在k时刻的速度关系为：

则得到：

$\begin{array}{c}{V}_h^2={(V_{x,k}-V_{Wx,k})}^2+{(V_{y,k}-V_{Wy,k})}^2\\ =({V_{x,k}}^2+{V_{y,k}}^2)+({V_{Wx,k}}^2+{V_{Wy,k}}^2)-2(V_{x,k}{V}_{Wx,k}+V_{y,k}{V}_{Wy,k})\\ ={V_k}^2+V_{W,k}^2-2(V_{x.k}{V}_{Wx,k}+V_{y.k}{V}_{Wy,k})\end{array}---\left(4\right)$

其中，V_h代表风场探测仪相对大气的速度，V_x,k和V_y,k为k时刻风场探测仪相对地面的速度在x轴方向和y轴方向上的分量，V_wx，k和V_wy，k为k时刻的风速分量。为风场探测仪的偏航角，可由九轴陀螺仪采集得到。

假定空速在k时刻保持不变，则可由式(4)推导得出：

$V_h^2-E\left(V_h^2\right)=0=V_k^2-E\left(V_k^2\right)-2\[(V_{x,k}-E(V_{x,k}\left)\right)V_{Wx,k}+\left(\right(V_{y,k}-E\left(V_{y,k}\right))V_{Wy,k}\]---\left(5\right)$

令

$E\left({V_k}^2\right)=m_v,E\left(V_{x,k}\right)=m_{v_x},E\left(V_{y,k}\right)=m_{v_y}---\left(6\right)$

则风场的探测过程可转化为求解如下线性回归问题，当从信息预处理模块中处理得到的风场探测仪相对地面的速度，代入如下公式(7)和(8)即可滚动计算出风场在经向和纬向上的实时速度分量以及风向角，通过上述过程，就可以得到周围风场的完整数据。

$\left[\begin{array}{cc}{V}_{x,1}-m_{v_x}& V_{y,1}-m_{v_y}\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ V_{x,k}-m_{v_x}& V_{y,k}-m_{v_y}\\ \·& \·\\ \·& \·\\ \·& \·\\ V_{x,n}-m_{v_x}& V_{y,n}-m_{v_y}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{V}_{WX,k}\\ V_{WY,k}\end{array}\right\}=\frac{1}{2}\left\{\begin{array}{c}{V}_1^2-m_v\\ \·\\ \·\\ \·\\ V_k^2-m_v\\ \·\\ \·\\ \·\\ V_n^2-m_v\end{array}\right\},(k=1,2,...n)---\left(7\right)$

为更好的实现上述目的，本发明还提供了一种下投式风场探测仪的探测方法，其中包括以下步骤：

步骤1，通过主控制模块输出舵机控制信号将伞翼系统的单侧操纵绳带动下拉50％的位置并固定，将伞翼叠好后放置在伞包中，控制系统则固定在伞翼系统的负载控制箱里。

将单侧操作绳下拉50％，则风场探测仪在风场中运动时，会沿着风向螺旋前进。

步骤2，对GPS定位采集模块完成锁星定位工作。

步骤3，风场探测仪通过投放飞行器(如飞机，直升机等)升空至投放高度，操作人员割断伞包的绳子，对风场探测仪进行释放，伞翼系统会在负载控制箱的重力牵引下完全打开。

步骤4，风场探测仪随风向螺旋运动并实时探测出随海拔高度变化的风向和风速数据，并通过数传模块传输到地面站上进行直观显示，显示的结果为从投放高度到地面范围内随海拔高度变化的风向以及风速在经向和纬向的速度分量。

本发明的优点和积极效果：

1.设计的下投式风场探测仪装置简单易操作，造价低廉，探测方法易实现，具有较好的经济性和实用性。

2.设计的下投式风场探测仪可实现对随着海拔高度不同而变化的风场进行实时跟踪，从实际探测实验可验证该风场探测仪能实时探测出从高海拔区域飞至低海拔区域时的整个工作空域风场的变化趋势，精度较高。

3.该风场探测仪可实现对风场信息进行实时在线获取，由地面站实时显示风场信息和系统3维位置信息。

附图说明

图1是下投式风场探测仪的结构示意图。

图2是风场探测仪负载控制箱底座腔的结构示意图。

图3是风场探测仪负载控制箱内部的结构示意图。

图4是图3的后侧结构投影示意图。

图中，1-伞翼，2-操纵绳，3-伞绳，4-吊带，5-负载控制箱，6-上帽，7-穿线孔，8-减振底座腔，9-充气嘴，10-薄膜，11-T型隔板，12-主控制模块，13-左舵机，14-左舵机载线盘，15-左侧连轴器，16-左舵机驱动器，17-右舵机驱动器，18-电池模块，19-数传模块，20-九轴陀螺仪，21-气压高度计，22-GPS定位采集模块，23-右侧舵机，24-右舵机载线盘，25-右侧连轴器。

图5是实际探测实验中风场探测仪的水平轨迹。

图6是实际探测实验中风场探测仪的水平速度。

图7是实际探测实验中风场探测仪对风场的探测结果，其中(a)是对工作空域风场的风向探测结果，(b)是对风速的探测结果。

图8是实际探测实验中风场探测仪对风速分量的探测结果，其中(a)是风速沿着X轴方向的分量，(b)是风速沿着Y轴方向的分量。

图9是控制系统参考原理框图。

具体实施方式：

实施例1：下投式风场探测仪

如图1-4所示，下投式风场探测仪包括伞翼系统和控制系统。

伞翼系统包括：伞翼1，和用于操纵伞翼后缘的左右两侧操纵绳2，伞翼通过伞绳3和吊带4与负载控制箱5相连，负载控制箱内设置有一个T型隔板12，控制系统固定在伞翼系统的负载控制箱里的T型隔板上。

在本发明中，伞翼由涂层金丝绸制成，伞翼面积为5m²，操纵绳长度为2.8m，由4-420芳纶绳制成，伞翼、伞绳和操纵绳的质量为1.5kg，负载控制箱底座腔的直径为300mm，总重量为20kg，穿线孔直径为22mm，舵机采用型号为Maxon EC-MAX 283858直径为22mm，轴径为6mm，以及ESCON 36/3EC舵机驱动器，舵机供电电压为24V，功率为120W，载线盘直径79mm，槽深22mm，槽宽1.5mm，连轴器孔径6mm。

控制系统包括分别固定在T型隔板11上左右两侧的左右两个舵机13和23(从图3的角度观看)，两个舵机轴上分别通过连轴器15或25各安装一个用于拉动伞翼系统操纵绳的载线盘14或24，左舵机驱动器16与九轴陀螺仪20固定在T型隔板11一侧的左舵机的下方，右舵机驱动器17与气压高度计21固定在T型隔板11另一侧的右舵机的下方，两个舵机驱动器的输出分别对应连接两个舵机中的一个；控制系统中的主控制模块12、电源模块18与数传模块19固定于T型隔板的横隔板外面，主控制模块12分别与两个舵机驱动器16和17电连接，用于将舵机控制信号传递给舵机驱动器，控制舵机带动载线盘运动；GPS定位采集模块22固定在T型隔板的横隔板里面并与气压高度计21和九轴陀螺仪20分别电连接主控制模块的输入端，主控制模块的输出端双向连接数传模块19；电源模块为舵机驱动器、主控制模块、数传模块、GPS定位采集模块、气压高度计和九轴陀螺仪提供电源，参见图9。

控制系统中的电源模块，供电电源采用24V锂蓄电池，供电电源直接输出给舵机供电，并经过电源转化电路将输入的电压分别转换为5V，3.3V，用来给主控制模块和GPS定位采集模块、气压高度计、九轴陀螺仪供电使用。考虑到系统工作的稳定性，这里的5V电路采用的是XL1509芯片，3.3V电路采用的是AMS1117芯片。

控制系统中的主控制模块，其主处理器采用ARM Cortex M4系列STM32F407芯片。主控制模块包含信息预处理模块和风场测试模块，并与电源模块、GPS模块、气压高度计、九轴陀螺仪和数传模块连接。GPS定位采集模块、气压高度计和九轴陀螺仪分别连接主控制模块的输入端，主控制模块的输出端双向连接数传模块。

控制系统中的GPS定位采集模块，主要有三部分组成：GPS/GLONASS航空型天线、GPS接收板卡和RS232-TTL转换器。GPS接收板卡采用OEM615板卡。系统在空中飞行时，OEM615板卡将其经纬度，高度信息发送给主控制模块MCU。因为OEM615板卡是LV-TTL形式的串口，电平为0-3.3V，直接进行传输数据信息容易不稳定。因此，在GPS定位采集模块和MCU通信时，增加一个RS232电平和TTL电平转换的器件。

控制系统中的气压高度计和九轴陀螺仪，均与主控制模块相连，气压高度计采用BMP085气压高度传感器，可精确测量出风场探测仪此时飞行的海拔高度，并与数传模块进行实时数据交换，再通过数传模块传送至地面站；采用MPU9250九轴陀螺仪，通过I²C总线通讯向主控制模块提供航向姿态输出，包括滚转角、俯仰角、偏航角信息。

控制系统中的数传模块，采用3DR无线电遥测915MHZ的数传电台，分为两个模块包括Air模块和Ground模块，Air模块通过串口通讯方式连接到主控制器的串口端，Ground模块通过USB接口连接到地面控制端。当数传电台在传送风场探测仪的信息时，Air模块作为发射设备，把来自控制系统的信息进行调制并以无线方式发送给地面端，Ground模块作为接收设备，地面端进行解调由此可在地面站上可显示风场探测仪的3维位置和实时风向，风速信息。地面端也可将控制信号传输给风场探测仪的控制系统。

实施例2：针对工作空域风场进行探测

为验证所发明的下投式风场探测仪的可行性，课题组进行了对工作空域风场的探测实验。本次探测实验选择伞翼为5m²的系统悬挂控制箱进行实验。

投放场地地面的海拔高度为90m，其投放位置的海拔高度为321m，开伞高度损失为40m，即系统从海拔高度281m位置开始随风滑翔和降落。除去距离地面20m时的操纵高度，风场探测仪的数据采集区间的高度为171m，飞行时间为68s。

风场探测仪的水平运动轨迹如图5所示，图中“*”号表示风场探测仪的动作起始点。

当系统在风场中运动时，其随风偏移的速度与风速相同。从图5中可以看出，工作空域风场的风速随着高度的不同而有所变化。从风场探测仪的运动轨迹的方向可以判断出风场的风向，风场探测仪在靠近起始位置时沿风向的运动速度较大，在远离初始点位置时沿风向的运动速度相对较小，表明高海拔区域风速大，低海拔区域风速小。表1中所列举的是几个数据点所处的海拔高度以及风速和风向信息。

表1空投风场信息

根据风场探测仪运动中采集的GPS定位数据，可以看出风场探测仪在风场中的运动情况。由于系统的空速是恒定的，则其地速变化越大说明所处风场的风速越大。通过信息预处理模块后，计算得到的风场探测仪相对地面的水平速度由图6表示。从图6可以看出，速度的变化趋势与表1有着相同的结论，即风速随着海拔高度的降低而降低。对在线采集的工作空域风场数据进行分析，得到的风场测试结果在图7中给出。

图7中的虚线为风向和风速的真实值，由于无法对不同海拔高度的风速风向进行连续的测量，所以真实值的参考曲线采用直连表1中数据点的方法，数据点之间的参考值是线性变化的。

从图7(a)中的风向探测结果可以看出，风场探测方法准确反映了风向的变化趋势。相对于参考风向，探测得到的风向在5s后进入稳定探测状态，最大误差为3.5°，平均绝对误差为3.2°。

图7(b)中风速的探测结果与实际风速的对比结果表明，风场探测方法可以对风速进行准确探测，并能够跟踪风速的变化趋势，验证了下投式风场探测仪对变化风场的跟踪适应能力。风速的探测结果从5s后进入稳定状态，稳定后最大探测误差为0.57m/s，平均绝对误差为0.27m/s。

图8为工作空域风场的风速在X轴和Y轴上的速度分量的探测结果。从图中可以看出，风场在X轴的速度分量基本保持不变，在-2.6m/s附近波动，而风场在Y轴的速度分量则出现了较大变化，随着海拔高度的降低明显减小，由此可知图8中风向角的增大和风速值的减小主要是由风场在Y轴的速度分量的变化引起的。

风场探测仪得到稳定探测结果所需的时间为5s，具有较高的探测精度，验证了该下投式风场探测仪的实用性和有效性。

Claims (5)

1.一种下投式风场探测仪，包括伞翼系统和控制系统；其特征在于：通过空中下投的方式对随海拔高度变化的工作空域风场进行探测，可实时跟踪变化风场的横向和纵向分布；

所述的伞翼系统包括：伞翼(1)，和用于操纵伞翼后缘的左右两侧操纵绳(2)，伞翼通过伞绳(3)和吊带(4)与负载控制箱(5)相连，负载控制箱内设置有一个T型隔板(11)，控制系统固定在伞翼系统的负载控制箱里的T型隔板(11)上；

所述控制系统包括分别固定在T型隔板(11)上左右两侧的左右两个舵机(13和23)，两个舵机轴上分别通过连轴器(15或25)各安装一个用于拉动伞翼系统操纵绳的载线盘(14或24)，一个舵机驱动器(16或17)与九轴陀螺仪(20)固定在T型隔板(11)一侧的舵机的下方，另一个舵机驱动器(17或16)与气压高度计(21)固定在T型隔板(11)另一侧的舵机的下方，两个舵机驱动器的输出分别对应连接两个舵机中的一个；控制系统中的主控制模块(12)、电源模块(18)与数传模块(19)固定于T型隔板的横隔板外面，主控制模块(12)分别与两个舵机驱动器(16和17)电连接，用于将舵机控制PWM信号传递给舵机驱动器，控制舵机带动载线盘运动；GPS定位采集模块(22)固定在T型隔板的横隔板里面与气压高度计(21)和九轴陀螺仪(20)分别电连接主控制模块的输入端，主控制模块的输出端双向连接数传模块(19)；电源模块为舵机驱动器、主控制模块、数传模块、GPS定位采集模块、气压高度计和九轴陀螺仪提供电源。

2.根据权利要求1所述的下投式风场探测仪，其特征在于，所述的负载控制箱为圆柱体形状，包括箱体、带有穿线孔(7)的上帽(6)和减振底座腔(8)，伞翼操纵绳通过穿线孔(7)分别固定在载线盘(14或24)上。

3.根据权利要求2所述的下投式风场探测仪，其特征在于，所述的减振底座腔为密封结构，底座腔侧壁设有充气嘴(9)，通过充气嘴(9)对底座腔充气，使减振底座腔内充满空气，减振底座腔的上表面是由减振材料制成的薄膜(10)。

4.根据权利要求1所述的下投式风场探测仪，其特征在于，主控制模块包括信息预处理模块、风场测试模块；其中信息预处理模块根据GPS定位采集模块采集到的位置数据以及采集频率计算出风场探测仪相对地面的速度，并将风场探测仪相对地面的速度传送到风场测试模块中；在风场测试模块中，由信息预处理模块中获得的风场探测仪相对地面的速度是其相对大气的速度与风速的矢量和，再根据风场计算公式滚动计算出风速在经向和纬向上的速度分量，并通过数传模块传送至地面站，在地面站上实时显示。

5.一种权利要求1所述的下投式风场探测仪的风场探测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过主控制模块输出舵机控制信号将伞翼系统的单侧操纵绳带动下拉50％的位置并固定，将伞翼叠好后放置在伞包中，控制系统固定在伞翼系统的负载控制箱里；

步骤2：对GPS定位采集模块完成锁星定位工作；

步骤3，风场探测仪通过投放飞行器升空至投放高度，操作人员割断伞包绳子，对风场探测仪下投，伞翼系统会在负载控制箱的重力牵引下完全打开；

步骤4：风场探测仪随风向螺旋运动并实时探测出随海拔高度变化的风向和风速数据，并通过数传模块传输到地面站上进行直观显示，探测的结果为从投放高度到地面范围内随海拔高度变化的风向以及风速在经向和纬向的速度分量；同时地面站能够监测风场探测仪的3维位置信息和实时风场信息。