CN109030862A - 一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置及其角度自适应平衡调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置及其角度自适应平衡调节方法，所述的超声波风速风向仪包括电源模块、主控制模块、超声波测风模块、数据通信模块、数据存储模块、温度补偿模块和陀螺仪平衡装置。所述的陀螺仪平衡装置包括陀螺仪传感器和万向节，陀螺仪传感器对超声波风速风向仪的工作角度进行实时监测，通过PID算法对风向仪的工作角度进行姿态解算，根据风向仪工作角度的变化来转动万向节进行角度调节，最终使超声波风速风向仪风向仪在短时间内实现自平衡。

Description

一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置及其角度自适 应平衡调节方法

技术领域

本发明涉及一种平衡装置，尤其是一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置及其角度自适应平衡调节方法。

背景技术

近些年，随着电子硬件技术的发展，以及CPU运算速度的提高，超声波测风技术也得到了飞速发展，相较于传统机械式风杯、风向标等测风装置，超声波测风技术在测量精度、实时性、稳定性等方面都有着显著优势。

在国家大力推进海洋开发战略的背景下，随着我国加强对海洋气象的监测力度，对海洋的气象监测要求也在提高。海上气象观测主要以海岛、海上浮标、气象观测船等方式为主。相对于陆地气象观测，海洋气象观测的观测环境更加不稳定，变化较大，尤其是海上观测船和海上浮标，受海上风浪影响较大。当外力较大时，仪器工作角度易受海浪打击造成较大的偏转，超声波风速风向仪在工作测量时需要保持水平且参考方向不变的状态，因此外力极易导致测量数据不准确，亟需一种能克服外力打击使仪器有效防抖的解决方案。

目前市场上大多数同类产品多采用磁力计传感器进行风速风向的校准，但是考虑到磁力计在应用时尤其海上航行时受地球磁场影响较大，由此产生的测量误差也会较大，影响测量效果。陀螺仪传感器是基于自由空间移动和手势定位的系统，最开始运用在航空领域，由于陀螺仪传感器灵敏度高，工作可靠，目前陀螺仪传感器在航空、航天、航海和日常生活中都有应用。

发明内容

由于超声波风速风向仪在进行海上观测过程中容易受外界环境影响，风向仪的工作角度容易出现偏移，影响风向仪测量精准度。本发明提出了一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置及其角度自适应平衡调节方法。

针对上述问题，本发明采用了以下技术方案：

一种超声波风速风向仪，包括电源模块、主控制模块、超声波测风模块、数据通信模块、数据存储模块、温度补偿模块和陀螺仪平衡装置。所述的主控制模块包括主控制芯片、定时器和步进电机；所述的超声波测风模块包括模拟开关电路、发射驱动电路、超声波探头、滤波电路、放大电路和电压比较电路，其中滤波电路采用截止频率为180kHz的高通滤波器和截止频率为220kHz的低通滤波器组合成中心频率为200kHz、带宽为40kHz的带通滤波器。

电源模块给超声波风速风向仪提供电源，主控制芯片结合定时器输出频率为200kHz、占空比为50％的脉冲信号，信号通过模拟开关电路传输到发射驱动电路，发射驱动电路驱动超声波探头发射超声波信号，超声波探头接受反射回来的超声波信号，信号先后经过滤波电路滤波、放大电路放大，最后经过电压比较电路传输回主控制芯片，主控制芯片将超声波测风模块测量得到的风速和风向数据通过数据通信模块传输给观测台，同时将该数据在数据存储模块进行实时存储。

温度补偿模块分别连接主控制模块和超声波测风模块，用于控制超声波风速风向仪的工作温度。

在进一步的优选方案中，所述的超声波探头是超声波换能器。

在进一步的优选方案中，所述的超声波换能器有四个，分别分布在圆周的四个方向，且相邻的两个超声波换能器相互垂直。

一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置，包括陀螺仪传感器和万向节，陀螺仪传感器焊接在超声波风速风向仪的顶部挡板上，万向节安装于超声波风速风向仪支架与超声波风速风向仪的连接处。

陀螺仪平衡装置分别连接主控制模块和超声波测风模块，陀螺仪传感器实时监测超声波风速风向仪的工作角度，当风速仪工作角度出现偏差，主控制芯片启动步进电机输出转矩，控制万向节转动，进而调节超声波风速风向仪工作角度。

一种超声波风速风向仪的角度自适应平衡调节方法，包括以下步骤：

(1)安装陀螺仪传感器和万向节，陀螺仪传感器焊接在超声波风速风向仪的顶部挡板上，万向节安装于超声波风速风向仪支架与超声波风速风向仪的连接处；

(2)选取地理位置上的正北极、正东、地心方向分别作为参考坐标系的x_n,y_n,z_n轴，选取超声波风速风向仪的正前方、正右侧、正下方分别作为载体坐标系的x_b,y_b,z_b轴，调整超声波风速风向仪初始角度，使载体坐标系与参考坐标系重合，设置此时的初始角度为0°；

(3)陀螺仪传感器实时监测超声波风速风向仪的工作角度，由于陀螺仪传感器在测量过程中，无法直接获得仪器的工作角度，通常需要对陀螺仪传感器的测量数据进行姿态解算，所述的超声波风速风向仪工作角度采用俯仰角、横滚角、航向角三个姿态角表示。已知超声波风速风向仪的参考坐标系转换到载体坐标系的旋转矩阵为：

其中Θ为俯仰角，Φ为横滚角，ψ为航向角，设w_b＝[w_x,w_y,w_z]^T为陀螺仪传感器所测得的载体角速率，表示姿态角的微分，载体角速度与姿态角满足以下微分方程：

(4)通过对微分方程②的求解得到超声波风速风向仪姿态角Θ、Φ、ψ，采用PID控制算法进一步解析风向仪姿态角，PID增量式算法满足公式：

ΔU_k＝Ae_k-Be_k-1+Ce_k-2 ③

其中K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，e_k为采样对象，在此处为陀螺仪传感器在k时刻测量得到的姿态角的值；

(5)超声波风速风向仪处于平衡状态需满足条件ΔU_k＝0，且e_k＝e_k-1＝e_k-2＝0，当不满足以上条件时，在主控制模块中将采集到的e_k值转换为步进电机转矩值，步进电机控制万向节转动，使超声波风速风向仪快速恢复到初始工作角度。

通过上述技术方案，本发明可以获得如下优势：

陀螺仪传感器具有低成本、高效率、高可靠性、利于数字化的优点，陀螺仪传感器与万向节组成的硬件结构，搭配PID控制算法，可以快捷有效的调节超声波风速风向仪的工作角度，实现超声波风速风向仪自平衡，让超声波风速风向仪可以在受到外界环境影响的情况下快速恢复自身工作角度，从而减少海上船只晃动、海风、海浪等外界环境对超声波风速风向仪测量精准度的影响，降低测量误差。

温度补偿模块可以帮助超声波风速风向仪维持恒定工作温度，进一步消除温度变化造成的测量误差。

附图说明

图1为本发明超声波风速风向仪超声波测风模块工作示意图。

图2为本发明陀螺仪平衡装置采用的PID控制系统流程图。

图3为本发明陀螺仪平衡装置采用的PID控制系统仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1中所示，一种超声波风速风向仪，包括电源模块、主控制模块、超声波测风模块、数据通信模块、数据存储模块、温度补偿模块和陀螺仪平衡装置。其中超声波测风模块实现超声波测量风速风向功能，陀螺仪平衡装置实现测风仪器自平衡功能。

主控制模块中的主控制芯片配合定时器产生一路频率为200kHz、占空比为50％的脉冲信号，脉冲信号经过4选1模拟开关分时复用为四路脉冲信号，经过发射驱动电路放大后驱动超声波换能器，本发明使用4个超声波换能器，超声波换能器两两一组，同一组的超声波换能器相对分布，与另一组超声波换能器垂直。在一个时间段内由一组超声波换能器分别进行超声波信号的发射和接受工作，例如，超声波换能器1发射超声波信号的时候，换能器3接受超声波信号，当超声波换能器3发射超声波信号的时候，换能器1接受超声波信号。在接受回路中，主控制模块通过定时器与4选1模拟开关配合连接指定的超声波换能器，接受到的超声波信号经过滤波电路滤波、放大电路放大后得到清晰稳定的脉冲信号，脉冲信号经过电压比较器传输回主控制模块。

因为超声波信号在传输过程中损耗较大，超声波换能器接受到的超声波信号往往比较微弱和杂乱，不利于分析。本发明在信号接收电路中设计了滤波电路和放大电路。滤波电路采用截止频率分别为180kHz与220kHz的高通与低通滤波器组合形成中心频率为200kHz、带宽为40KHz的带通滤波器，可以有效的对接受信号进行滤波，得到符合要求的正弦波脉冲信号。在滤波过后，采用放大电路放大脉冲信号。

为了进一步准确地测量到脉冲回波信号，在主控制芯片的接收引脚处设计了电压比较电路，将不规则正弦波信号转换成频率相等的规则方波信号，主控制芯片与定时器结合，监测规定时间内捕获到的正波脉冲数量，以此确定回波信号的频率。

信号频率和速度满足以下公式：

以x方向上超声波换能器1发射超声波，对应方向上换能器3接收时为例：

顺风：

逆风：

式中c为超声波传播速度，V_x为沿x方向风速，f₀为无风时回波频率，f₃为超声波换能器3实测超声波频率，∝为超声波信号反射面反射角。同理也可得出y方向上的风速值。

利用正交合成的方法可以得到：

风向角θ可以通过下列公式求得：

根据上述公式计算得出4个超声波换能器测得的超声波频率f₁、f₂、f₃、f₄：

当f₁>f₂，f₃>f₄时，风向在第一象限，风向角为θ；

当f₁>f₂，f₃<f₄时，风向在第二象限，风向角为π-θ；

当f₁<f₂，f₃<f₄时，风向在第三象限，风向角为

当f₁<f₂，f₃>f₄时，风向在第四象限，风向角为2π-θ；

为了避免环境温度对信号测量造成误差，本发明在硬件电路中设计了温度补偿模块，当监测到仪器工作温度与设定温度出现较大偏差，温度补偿模块开始工作。数据通信模块用来将监测到的风向和风速等数据信息实时传送给观测站，根据实际的外界环境可以选取无线(GPRS/GNSS等)或有线(RS232/RS485/RS422等)方式进行数据通讯。此外，本发明还设计了数据存储模块，用来将监测到的数据进行实时存储。

海上气象观测容易受外界影响，海浪和海风等都会影响超声波风速风向仪的工作角度，导致测量数据误差。为了解决上述问题，本发明采用了陀螺仪传感器加万向节的硬件结构和PID控制算法为主的软件结构来实现超声波风速风向仪自平衡。

本发明的超声波风速风向仪上设置有一个指北箭头，仪器安装时将此指北箭头指向正北方，仪器安装需要参考该指北箭头，将陀螺仪传感器焊接在超声波风速风向仪的顶部挡板上，将万向节安装于超声波风速风向仪支架与超声波风速风向仪的连接处。仪器安装完毕后，选取地理坐标正北极为陀螺仪参考坐标系的x轴，选取地理坐标正东为陀螺仪参考坐标系的y轴，参考坐标系的z轴分别垂直于x轴和y轴向下，选取超声波风速风向仪的前、右、下分别作为载体坐标系的x_b,y_b,z_b轴，首先调整好超声波风速风向仪的最佳工作角度，认为此时超声波风速风向仪的载体坐标系与参考坐标系是重合的，此时陀螺仪的姿态角为0°。

如图2所示，首先对仪器进行初始化，设置陀螺仪传感器初始角度值为0，陀螺仪传感器在工作过程中对超声波风速风向仪的工作角度进行实时采样，与陀螺仪传感器前一时刻所测得的角度进行对比，为使控制效果更加精确，采用增量式PID算法进行姿态解算分析，根据超声波风速风向仪的角度变化获得步进电机转矩值，控制万向节转动，保持测风仪器工作角度偏转后能在短时间内自行恢复至初始工作角度。

本发明采用俯仰角Θ、横滚角Φ、航向角ψ这三种姿态角来表示超声波风俗风向仪的工作角度，由于三个姿态角方向上PID控制算法相同，下面用俯仰角Θ的控制算法为例，对本发明的PID控制系统做进一步讲解：

根据PID位置算法的定义，获得如下公式：

式中U_(t)为控制系统输出值，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数，e_(t)为采样对象，在此处为陀螺仪传感器在t时刻测量得到的俯仰角Θ。

由于陀螺仪传感器的采样过程不是连续采样，因此可以用公式代替公式⑩进行计算：

式中T为姿态角采样周期，e_k为k时刻测量得到的俯仰角Θ，则有：

根据PID增量式算法得出：

其中ΔU_k表示陀螺仪传感器测量得到的俯仰角Θ的变化差值，A、B、C可视为常数，A、B、C的值可以通过Z-N、黄金分割法等其他有效方法进行参数整定与选取。

为了使陀螺仪平衡装置达到预期效果，需满足条件ΔU_k＝0，且e_k＝e_k-1＝e_k-2＝0，即姿态角最终恢复至原始设定的工作角度。在主控制模块中将采集到的e_k值转换为步进电机转矩值，通过数模转换模块控制步进电机获取所应输出的转矩值，输出转矩，控制万向节转动，从而实现对超声波风速风向仪工作角度的实时有效控制。PID控制系统在达到稳定状态时，遇到外界恒定作用力时系统运行情况仿真图如图3所示。

由于本发明中超声波风速风向仪仪器姿态角的横滚角Φ以及航向角ψ的控制与俯仰角Θ的控制方式相同，在本发明文件中不再一一赘述。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细地说明，但是本发明并不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种超声波风速风向仪，其特征在于，包括：

电源模块，用于给超声波风速风向仪提供电源；

主控制模块，用于产生周期性脉冲信号、计算分析各模块信息并控制各模块工作；

超声波测风模块，用于发射和接受超声波信号；

数据通信模块，用于将主控制模块计算得出的风速、风向数据传输给观测台；

陀螺仪平衡装置，用于监测和调节超声波风速风向仪工作角度。

2.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的主控制模块包括主控制芯片、定时器和步进电机，主控制芯片结合定时器输出频率为200kHz、占空比为50%的脉冲信号作用于超声波测风模块，步进电机连接万向节，用于控制万向节转动。

3.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的超声波测风模块包括模拟开关电路、发射驱动电路、超声波探头、滤波电路、放大电路和电压比较电路，主控制模块输出的脉冲信号通过模拟开关电路传输到发射驱动电路，发射驱动电路驱动超声波探头发射超声波信号，超声波探头接受反射回来的超声波信号，信号先后经过滤波电路滤波、放大电路放大，然后经过电压比较电路传输回主控制模块。

4.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的陀螺仪平衡装置包括陀螺仪传感器和万向节，陀螺仪传感器用于测量超声波风速风向仪工作角度，万向节用于调节超声波风速风向仪工作角度。

5.根据权利要求3所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的超声波探头是超声波换能器。

6.根据权利要求3所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的滤波电路采用截止频率为180kHz的高通滤波器和截止频率为220kHz的低通滤波器组合成中心频率为200kHz、带宽为40kHz的带通滤波器。

7.根据权利要求4所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的超声波换能器有四个，分别分布在圆周的四个方向，且相邻的两个超声波换能器相互垂直。

8.根据权利要求1所述的一种超声波风速风向仪，其特征在于，所述的超声波风速风向仪还包括数据存储模块、温度补偿模块，数据存储模块用于将主控制模块计算得出的风速、风向数据进行实时存储，温度补偿模块用于维持超声波风速风向仪的工作温度在设定值。

9.一种用于超声波风速风向仪的陀螺仪平衡装置，其特征在于，包括陀螺仪传感器和万向节，陀螺仪传感器焊接在超声波风速风向仪的顶部挡板上，万向节安装于超声波风速风向仪支架与超声波风速风向仪的连接处；陀螺仪传感器用于测量超声波风速风向仪工作角度，万向节用于调节超声波风速风向仪工作角度。

10.一种超声波风速风向仪的角度自适应平衡调节方法，其特征在于，包括步骤：

（1）安装陀螺仪传感器和万向节，陀螺仪传感器焊接在超声波风速风向仪的顶部挡板上，万向节安装于超声波风速风向仪支架与超声波风速风向仪的连接处；

（2）调整超声波风速风向仪初始角度，设置初始角度为0°；

（3）陀螺仪传感器实时监测超声波风速风向仪的工作角度，所述的超声波风速风向仪工作角度采用俯仰角、横滚角、航向角三个姿态角表示，陀螺仪传感器测量的载体角速度与超声波风速风向仪姿态角满足以下微分方程：

=

其中Θ为俯仰角，Φ为横滚角，ψ为航向角，w _x 、w _y 、w _z 分别是x、y、z轴上的载体角速度；

（4）通过对上述微分方程的求解得到超声波风速风向仪姿态角Θ、Φ、ψ，采用PID控制算法解析风向仪姿态角，PID增量式算法满足公式：

△U _k =Ae _k -Be _k-1 +Ce _k-2

其中A=，B=，C=，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数，e _k 为采样对象，在此处为陀螺仪传感器在k时刻测量得到的姿态角的值；

（5）超声波风速风向仪处于平衡状态需满足条件△U _k =0，且，当不满足以上条件时，在主控制模块中将采集到的e _k 值转换为步进电机转矩值，步进电机控制万向节转动，使超声波风速风向仪快速恢复到初始工作角度。