CN107942093A - 一种风速风向的离线测量小车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风速风向的离线测量小车，一种风速风向的离线测量小车，包括本体、基座、前轮和后轮，本体位于基座上面，两个前轮分别通过前转动轴与基座相连接，两个后轮分别通过后转动轴与基座相连接，本体上表面设有超声波换能器组超声波换能器组包括第一～第四超声波换能器。本发明通过超声波时差法测量平面二维风速，结合霍尔传感器和电子罗盘测量小车的运动方向和速度，对测得的风速风向进行修正从而获得准确的风速风向数据，并对真实数据进行存储和实时显示，方便测试人员观察二维曲线拟合后的实际风速以及各坐标轴的风向角，同时可通过RS485将测试数据远距离传送给上位机以便进一步处理分析。

Description

一种风速风向的离线测量小车

技术领域

本发明涉及风力发电测量技术领域，特别涉及一种风速风向的离线测量小车。

背景技术

风能就是空气流动所产生的动能，风场风资源的品质时刻影响着风力机的运行，风速和风向是风场的重要因素，测量的准确与否直接影响到风场特性的研究。

常用的风速风向的测量方法主要有风向标、风杯、风轮、超声波等，目前，国内外对风速风向的测量方法主要以超声波测量法为主，超声波测风仪因为具有安装简单、维护方便、测量精度高等特点，在工业生产和科学实验中都有广泛应用。超声波测风仪在特殊要求下，需要在相对于大地运动的基座上进行测量时，如在行驶的汽车上或航行的船舶上等，传统的超声波测风仪因为无法修正基座运动给测量带来的偏差从而无法得到准确的数据。

发明内容

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种风速风向的离线测量小车，通过超声波时差法测量平面二维风速，结合霍尔传感器和电子罗盘测量小车的运动方向和速度，对测得的风速风向进行修正从而获得准确的风速风向数据，适用于基座移动过程中的测量。

(二)技术方案

一种风速风向的离线测量小车，包括本体、基座、前轮和后轮，所述本体位于所述基座上面，两个所述前轮分别通过前转动轴与所述基座相连接，两个所述后轮分别通过后转动轴与所述基座相连接，所述本体上表面设有超声波换能器组，所述超声波换能器组包括第一～第四超声波换能器，所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器相对的位于所述本体上表面的水平中线两端，所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器构成超声波换能器收发对，所述第三超声波换能器和所述第四超声波换能器相对的位于所述本体上表面的竖直中线两端，所述第三超声波换能器和所述第四超声波换能器也构成超声波换能器收发对；所述基座下面设有测速装置，所述测速装置位于两个所述前轮之间，其中一个所述前轮上粘有磁钢；所述本体正面设有液晶显示屏，所述液晶显示屏一侧设有键盘，所述键盘为四行三列12键键盘矩阵；所述本体背面设有电池仓，所述电池仓两侧分别设有SD卡槽和RS485接口；所述本体内部设有控制电路板，所述控制电路板包括控制单元、自激驱动单元、信号调理单元、存储单元、按键输入单元、显示单元和RS485通信单元；所述基座内部设有方向测量单元，所述测速装置内部设有基座测速单元；所述按键输入单元与所述键盘电连接，通过所述键盘输入启停或修改设定测试参数；所述控制单元输出激励脉冲信号送给所述自激驱动单元的输入端，所述自激驱动单元对所述激励脉冲信号进行自激震荡，驱动所述超声波换能器收发对的发射部发射超声波信号，所述信号调理单元对所述超声波换能器收发对的接收部所接受的所述超声波信号进行放大、滤波和包络检波，得到所述超声波信号的到达时间数据送入所述控制单元；所述方向测量单元与所述控制单元的UART0口相连接，将小车行驶方向的测量数据送入所述控制单元；所述基座测速单元与所述控制单元的UART1口相连接，将小车行驶速度的测量数据送入所述控制单元；所述控制单元对采集的测试数据处理分析，计算得到风速风向的真实数据，输出连接所述存储单元和所述显示单元；所述存储单元和所述SD卡槽电连接，将计算数据保存在SD卡内；所述显示单元与所述液晶显示屏电连接，实时显示二维曲线拟合后的实际风速以及各坐标轴的风向角；所述RS485通信单元与所述RS485接口电连接，所述控制单元还通过所述RS485通信单元与上位机相连接，将所述风速风向的真实数据上传给所述上位机进行存储和进一步处理分析。

进一步的，所述控制单元选用32位ARM控制器LPC1768。

进一步的，所述第一～第四超声波换能器均选用FUS-200型超声波换能器。

进一步的，所述自激驱动单元包括脉冲变压器、场效应管、第一和第二三极管、电感、第一～第三二极管、第一～第四电容和第一～第九电阻。

进一步的，所述信号调理单元包括放大电路、滤波电路和包络检波电路；所述放大电路包括两片运算放大器OP37和RC网络，所述滤波电路为单运算放大器TL082为核心的压控电压源二阶带通滤波器，所述包络检波电路选用电压比较器LM393。

进一步的，所述方向测量单元选用电子罗盘LSM303DLH。

进一步的，所述基座测速单元选用集成常开开关型霍尔传感器A04E。

进一步的，所述按键输入单元包括键盘扫描芯片、键盘、石英晶振、第五～第七电容和第十～第十六电阻，其中所述键盘扫描芯片选用ZLG7289，所述键盘为四行三列12键键盘矩阵。

进一步的，所述显示单元选用液晶模块LCD12864。

进一步的，所述RS485通信单元选用RS485驱动器MAX487。

(三)有益效果

本发明提供了一种风速风向的离线测量小车，通过超声波时差法测量平面二维风速，结合霍尔传感器和电子罗盘测量小车的运动方向和速度，对测得的风速风向进行修正从而获得准确的风速风向数据，并对真实数据进行存储和实时显示，方便测试人员观察二维曲线拟合后的实际风速以及各坐标轴的风向角，同时可通过RS485将测试数据远距离传送给上位机以便进一步处理分析，其结构简单，体积小巧，便携性好，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，可扩展性强，操作方便，应用范围广，适用于基座移动过程中的测量。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种风速风向的离线测量小车的正面结构示意图。

图2为本发明所涉及的一种风速风向的离线测量小车的背面结构示意图。

图3为本发明所涉及的一种风速风向的离线测量小车的系统功能框图。

图4为本发明所涉及的一种风速风向的离线测量小车的自激驱动单元电路原理图。

图5为本发明所涉及的一种风速风向的离线测量小车的按键输入单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。

结合图1～图3，一种风速风向的离线测量小车，包括本体1、基座2、前轮3和后轮4，本体1位于基座2上面，两个前轮3分别通过前转动轴与基座2相连接，两个后轮4分别通过后转动轴与基座2相连接，本体1上表面设有超声波换能器组，超声波换能器组包括超声波换能器5～8，超声波换能器5和超声波换能器6相对的位于本体1上表面的水平中线两端，超声波换能器5和超声波换能器6构成超声波换能器收发对，超声波换能器7和超声波换能器8相对的位于本体1上表面的竖直中线两端，超声波换能器7和超声波换能器8也构成超声波换能器收发对；基座2下面设有测速装置9，测速装置9位于两个前轮3之间，其中一个前轮3上粘有磁钢10；本体1正面设有液晶显示屏11，液晶显示屏11一侧设有键盘12，键盘12为四行三列12键键盘矩阵；本体1背面设有电池仓13，电池仓13两侧分别设有SD卡槽14和RS485接口15；本体1内部设有控制电路板，所述控制电路板包括控制单元、自激驱动单元、信号调理单元、存储单元、按键输入单元、显示单元和RS485通信单元；基座2内部设有方向测量单元，测速装置9内部设有基座测速单元；按键输入单元与键盘12电连接，通过键盘12输入启停或修改设定测试参数；控制单元输出激励脉冲信号送给自激驱动单元的输入端，自激驱动单元对激励脉冲信号进行自激震荡，驱动超声波换能器收发对的发射部发射超声波信号，信号调理单元对超声波换能器收发对的接收部所接受的超声波信号进行放大、滤波和包络检波，得到超声波信号的到达时间数据送入控制单元；方向测量单元与控制单元的UART0口相连接，将小车行驶方向的测量数据送入控制单元；基座测速单元与控制单元的UART1口相连接，将小车行驶速度的测量数据送入控制单元；控制单元对采集的测试数据处理分析，计算得到风速风向的真实数据，输出连接存储单元和显示单元；存储单元和SD卡槽14电连接，将计算数据保存在SD卡内；显示单元与液晶显示屏11电连接，实时显示二维曲线拟合后的实际风速以及各坐标轴的风向角；RS485通信单元与RS485接口15电连接，控制单元还通过RS485通信单元与上位机相连接，将风速风向的真实数据上传给上位机进行存储和进一步处理分析。

控制单元选用32位ARM Cortex-M3内核的控制器LPC1768，其操作频率高达120MHz，代码执行速度高达1.25MIPS/MHz，并有丰富的接口部件。LPC1768自身的高速处理技术将有助于提高超声波风速风向的测量精度和实时性。

超声波换能器5～8均选用FUS-200型超声波换能器，它是一种中心频率为200KHz的高频压电式超声波换能器，驱动电压为60V，与相同频率的其他普通换能器的驱动电压(一般为200～400V)相比，具有声电转换效率高、驱动电压低、容易成型等突出优点。

自激驱动单元利用了超声波换能器自身的谐振特性，再配合以外部相关电路使超声波换能器在谐振频率附近产生震荡。如图4所示，自激驱动单元包括脉冲变压器T1、场效应管QT1、三极管Q1和Q2、电感L1、二极管D1～D3、电容C1～C4和电阻R1～R9。激励脉冲信号由LPC1768产生并送入电阻R1，通过三极管Q1放大驱动场效应管QT1，将12V电压接入脉冲变压器T1升至60V控制由电容C4和电阻R9构成的RC电路的充放电的切换，产生200KHz的震荡，驱动超声波换能器LS1发射超声波信号。为保护后续放大电路，在超声波换能器组的接收部连接一对反并联二极管D2和D3进行信号限幅。同时LPC1768通过引脚电平控制三极管Q2，在加激励脉冲信号之前导通，结束后关断，有效减轻了脉冲变压器T1的信号干扰。

为了使LPC1768精确地捕捉到接收到的超声波信号的边沿，获得超声波信号到达的准确时间，需对接收到的超声波信号进行信号调理。信号调理单元包括放大电路、滤波电路和包络检波电路；放大电路包括两片低噪声、高速宽运算放大器OP37和RC网络，理论放大倍数约为2200倍，符合后续处理电路的输入电压要求；滤波电路为单运算放大器TL082为核心的压控电压源二阶带通滤波器，下限截止频率100KHz，上限截止频率300KHz；包络检波电路选用电压比较器LM393，可以将环境变化对超声波信号的幅度的影响减到最低，经过包络检波后的信号是一个正弦信号，此时为获得超声波信号的到达时间。

方向测量单元选用电子罗盘LSM303DLH，内部集成有一个三轴数字加速计和一个三轴数字磁传感器，具有成本低、体积小、精度高、环境适应性好、具有数字化接口等特点。在使用之前，要对电子罗盘进行校准，以消除附近磁场的影响，同时还应根据国际地磁参考区域，在电子罗盘输出的方向值上加上或减去当地的磁偏角，才能得出正确的以地理北极为参考的方位角。

基座测速单元选用集成常开开关型霍尔传感器A04E，当粘有磁钢10的前轮3运动时，磁钢10扫过固定的测速装置9，测速装置9内部的霍尔传感器A04E附近磁场发生变化，进而引起霍尔传感器A04E输出电压的改变，LPC1768捕捉电压跳变沿，利用LPC1768内部的两个定时计数器分别检测单位时间内下降沿的个数和两个下降沿之间的时间，进而计算出车轮的转速。相比于常用的GPS测速和光电测速，霍尔传感器测速具有信号稳定、结构简单、能适应恶劣工作环境等优点。

测试人员通过键盘12控制小车启停和修改设定测试参数，例如小车行驶速度等级、参考电平、串口波特率等，还通过键盘12确认通过RS485接口15将数据上传给上位机，如图5所示，按键输入单元包括键盘扫描芯片U1、键盘12、石英晶振X1、电容C5～C7和电阻R10～R16，其中键盘扫描芯片U1选用ZLG7289，键盘12为四行三列12键键盘矩阵。ZLG7289内部含有译码器，具有串行接口，单片即可完成键盘12接口的全部功能，外接四行三列12键键盘矩阵，当有按键按下时KEY脚会变为低电平，利用指令可读出所按键值。

显示单元选用液晶模块LCD12864，对计算得到的真实风速风向数据进行二维曲线拟合后实时显示实际风速以及各坐标轴的风向角，方便测试人员及时直观的了解测量情况，以决定风力机的运行调整方案，使其工作于高转换效率的状态。

LPC1768还通过RS485通信单元将实际的风速风向数据上传给上位机，RS485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，与上位机之间的连线只需简单的用一对双绞线将“A”、“B”端连接起来即可实现通信，非常方便，完全满足离线测量系统远距离传输的要求。RS485通信单元选用RS485驱动器MAX487，将MAX487的RE和DE两个使能端接在一起，使MAX487处于某一确定的状态即可工作，也节约了LPC1768的I/O口。

本发明提供了一种风速风向的离线测量小车，通过超声波时差法测量平面二维风速，结合霍尔传感器和电子罗盘测量小车的运动方向和速度，对测得的风速风向进行修正从而获得准确的风速风向数据，并对真实数据进行存储和实时显示，方便测试人员观察二维曲线拟合后的实际风速以及各坐标轴的风向角，同时可通过RS485将测试数据远距离传送给上位机以便进一步处理分析，其结构简单，体积小巧，便携性好，系统功耗低，检测精度高，响应速度快，稳定性和可靠性好，可扩展性强，操作方便，应用范围广，适用于基座移动过程中的测量。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种风速风向的离线测量小车，包括本体、基座、前轮和后轮，所述本体位于所述基座上面，两个所述前轮分别通过前转动轴与所述基座相连接，两个所述后轮分别通过后转动轴与所述基座相连接，其特征在于：所述本体上表面设有超声波换能器组，所述超声波换能器组包括第一～第四超声波换能器，所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器相对的位于所述本体上表面的水平中线两端，所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器构成超声波换能器收发对，所述第三超声波换能器和所述第四超声波换能器相对的位于所述本体上表面的竖直中线两端，所述第三超声波换能器和所述第四超声波换能器也构成超声波换能器收发对；所述基座下面设有测速装置，所述测速装置位于两个所述前轮之间，其中一个所述前轮上粘有磁钢；所述本体正面设有液晶显示屏，所述液晶显示屏一侧设有键盘，所述键盘为四行三列12键键盘矩阵；所述本体背面设有电池仓，所述电池仓两侧分别设有SD卡槽和RS485接口；所述本体内部设有控制电路板，所述控制电路板包括控制单元、自激驱动单元、信号调理单元、存储单元、按键输入单元、显示单元和RS485通信单元；所述基座内部设有方向测量单元，所述测速装置内部设有基座测速单元；所述按键输入单元与所述键盘电连接，通过所述键盘输入启停或修改设定测试参数；所述控制单元输出激励脉冲信号送给所述自激驱动单元的输入端，所述自激驱动单元对所述激励脉冲信号进行自激震荡，驱动所述超声波换能器收发对的发射部发射超声波信号，所述信号调理单元对所述超声波换能器收发对的接收部所接受的所述超声波信号进行放大、滤波和包络检波，得到所述超声波信号的到达时间数据送入所述控制单元；所述方向测量单元与所述控制单元的UART0口相连接，将小车行驶方向的测量数据送入所述控制单元；所述基座测速单元与所述控制单元的UART1口相连接，将小车行驶速度的测量数据送入所述控制单元；所述控制单元对采集的测试数据处理分析，计算得到风速风向的真实数据，输出连接所述存储单元和所述显示单元；所述存储单元和所述SD卡槽电连接，将计算数据保存在SD卡内；所述显示单元与所述液晶显示屏电连接，实时显示二维曲线拟合后的实际风速以及各坐标轴的风向角；所述RS485通信单元与所述RS485接口电连接，所述控制单元还通过所述RS485通信单元与上位机相连接，将所述风速风向的真实数据上传给所述上位机进行存储和进一步处理分析。

2.根据权利要求1所述的一种风速风向的离线测量小车，其特征在于：所述控制单元选用32位ARM控制器LPC1768。

3.根据权利要求1所述的一种风速风向的离线测量小车，其特征在于：所述第一～第四超声波换能器均选用FUS-200型超声波换能器。

4.根据权利要求1所述的一种风速风向的离线测量小车，其特征在于：所述自激驱动单元包括脉冲变压器、场效应管、第一和第二三极管、电感、第一～第三二极管、第一～第四电容和第一～第九电阻。

5.根据权利要求1所述的一种风速风向的离线测量小车，其特征在于：所述信号调理单元包括放大电路、滤波电路和包络检波电路；所述放大电路包括两片运算放大器OP37和RC网络，所述滤波电路为单运算放大器TL082为核心的压控电压源二阶带通滤波器，所述包络检波电路选用电压比较器LM393。

6.根据权利要求1所述的一种风速风向的离线测量小车，其特征在于：所述方向测量单元选用电子罗盘LSM303DLH。

7.根据权利要求1所述的一种风速风向的离线测量小车，其特征在于：所述基座测速单元选用集成常开开关型霍尔传感器A04E。

8.根据权利要求1所述的一种风速风向的离线测量小车，其特征在于：所述按键输入单元包括键盘扫描芯片、键盘、石英晶振、第五～第七电容和第十～第十六电阻，其中所述键盘扫描芯片选用ZLG7289，所述键盘为四行三列12键键盘矩阵。

9.根据权利要求1所述的一种风速风向的离线测量小车，其特征在于：所述显示单元选用液晶模块LCD12864。

10.根据权利要求1所述的一种风速风向的离线测量小车，其特征在于：所述RS485通信单元选用RS485驱动器MAX487。