CN109665119B - 一种箭载立体高度实时风速测量系统及其测量方法 - Google Patents

一种箭载立体高度实时风速测量系统及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及近地气象检测技术，为箭载立体高度实时风速测量系统及其测量方法，包括运载单元、若干脱离单元、若干测量单元；测量单元嵌套在脱离单元上，若干测量单元通过若干脱离单元固定于运载单元的一侧；运载单元将若干测量单元分别运载到对应脱离高度点后，利用脱离单元进行分离，分离后各个测量单元竖直运动至测量高度点进行瞬时风速的测量并对所测量的瞬时风速数据进行实时回传、存储。本发明利用运载单元对测量单元进行投放，避免因立体风速的快速变化而出现测量误差，方便应用于近地立体高度风速的测量，减少观测数据的丢失和提高测量数据的准确性，从而使测量数据能够及时对无人机飞行及航空施药作业进行指导。

Description

一种箭载立体高度实时风速测量系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及近地气象检测技术，具体为一种箭载立体高度实时风速测量系统及其测量方法。
背景技术
随着科学技术的进步，以及航空领域技术革命的发展，近地空间高度的航空领域得到广泛应用与重视。无人机、飞艇等低空航空飞行器在民用领域得到广泛应用及普及，特别是农用植保无人机的不断推广应用，由于无人机及飞艇等近地航空飞行器起飞前及工作过程中，对周围环境的气象条件特别是风速等有一定的要求，风速同时会对其工作的效果产生影响，故而针对立体高度方向上的风速等气象条件的检测尤为重要；而目前的地面气象观测站只能探测到较低高度的气象参数，受到设备的限制其测得数据不足以满足实际需求。目前存在利用无人机进行立体高度风速的检测，但无人机本身产生的风场会对测量结果的准确性产生影响，而且无法实现对不同高度风速的同时测量；此外，也存在一些以气球等为辅助工具的系留式检测设备，但其装置结构复杂，需要布置的部件多，测量过程复杂，无法快速获取风速等气象条件，工作效率较低。因此，有必要提出一种快速、准确、有效、实时的立体高度风速测量方法，以快速地获取立体高度风速状态，减少观测数据的丢失，提高测量数据的准确性，从而使测量数据能够及时对无人机飞行、航空施药作业等近地航空飞行器的运行进行指导。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种箭载立体高度实时风速测量系统，该系统能够实现对一定立体竖直高度不同高度点的风速进行快速测量并实时反馈测量结果；利用运载单元对测量单元进行投放，避免因立体风速的快速变化而出现测量误差，方便应用于近地立体高度风速的测量，减少观测数据的丢失和提高测量数据的准确性，从而使测量数据能够及时对无人机飞行及航空施药作业进行指导。
本发明还提供一种箭载立体高度实时风速测量方法。
本发明测量系统所采取的技术方案是：一种箭载立体高度实时风速测量系统，包括：运载单元、若干脱离单元、若干测量单元；测量单元嵌套在脱离单元上，若干测量单元通过若干脱离单元固定于运载单元的一侧；
运载单元将若干测量单元分别运载到对应脱离高度点后，利用脱离单元进行分离，分离后各个测量单元竖直运动至测量高度点进行瞬时风速的测量并对所测量的瞬时风速数据进行实时回传、存储。
优选地，在测量单元达到最高点后对测量单元进行回收，在箭体单元到达最高点后对箭体单元进行回收。
本发明测量方法采用如下技术方案来实现：基于上述箭载立体高度实时风速测量系统，其中运载单元包括箭体单元、发射单元、箭体回收单元，发射单元包括发射板、弹射器及弹射板；所述脱离单元包括高度计、速度传感器、数据库及分离器；所述测量单元包括风速检测单元、综合处理单元、传感器回收单元；所述测量方法包括以下步骤：
(1)将运载单元布置于相应位置点，通过发射单元调节箭体单元的发射角度；
(2)调试脱离单元的分离器，调试后将脱离单元布置于运载单元的箭体单元上；
(3)调试综合处理单元，将测量单元逐一安装于对应的脱离单元上；
(4)立体高度实时风速测量：
(4.1)当运载单元满足发射条件后，通过发射单元将箭体单元按照相应的测试点竖直发射；
(4.2)测量单元脱离：通过脱离单元对箭体单元高度及速度进行实时检测，并与数据库中存储的对应高度值及速度值进行对比，当箭体单元到达第一脱离高度点时，通过脱离单元中的分离器将测量单元与脱离单元进行分离，分离后测量单元向上运动至第一测量高度点；当箭体单元到达第二脱离高度点时进行第二个测量单元的分离，分离后测量单元竖直运动至第二测量高度点；其他测量单元在到达相应脱离高度点后从箭体单元侧面从下向上依次向上脱离，且各个测量单元在同一时刻到达对应的测量高度点；
(4.3)风速测量及数据处理：测量单元脱离箭体单元后从脱离高度点竖直运动至测量高度点，且到达测量高度点时测量单元的竖直高度最大、瞬时速度为零，通过测量单元中携带的传感器回收单元中的高度计对测量单元的高度进行实时检测并与之前的高度值进行对比，当检测到测量单元到达测量高度点时风速传感器对该测量高度点的瞬时风速进行测量并将测量值进行存储记录、回传至位于地面的风速传感器数据接收模块。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1、不同于现有近地气象检测技术，本发明采用箭体单元为运载工具而非无人机，由于箭体单元升空速度快，整个测量过程可以看作为一个瞬时过程。不仅避免了无人机本身对测量结果的影响，而且避免了立体风速变化快而测量不准确的问题。
2、系统结构简单，便于布置，灵活性高，适用性强，能随时根据需求对任意位置点立体高度上的风速等进行测试，工作效率高。
3、由于系统中装配有箭体回收单元、传感器回收单元，在完成测试后可以分别对箭体单元、测量单元进行回收，以便重复使用，避免材料的浪费，节约系统成本。
4、测量过程中可实现测量数据的实时回传，能够以最快的速度获取立体高度上的风速等气象参数。
5、通过对多个测量单元的合理布置可以实现对任意立体三维区域的风速等气象条件进行测试，通过测试结果可以实现对低空航空飞行器的起飞和作业进行指导，提高飞行器的飞行安全性和作业效果。
附图说明
图1是本发明测量系统的机械结构示意图；
图2是测量单元与脱离单元的嵌套关系图；
图3是本发明测量系统的拓扑图；
图4是本发明测量方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例及附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所述实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例
参见图1、2，本实施例提供的箭载立体高度实时风速测量系统包括运载单元1、脱离单元2、测量单元3。脱离单元和测量单元均设有多个，测量单元嵌套在脱离单元上；通过多个脱离单元2，多个测量单元呈一条竖直线固定于运载单元3的一侧。
所述运载单元1包括箭体单元1-1、发射单元1-2、箭体回收单元1-3，脱离单元设置在箭体单元上。其中，箭体单元具有一对尾翼，尾翼上设有副翼，通过尾翼上的副翼来平衡测量单元在箭体单元上的布置，以及解决测量单元脱离后造成的箭体单元不平衡问题，从而使箭体单元保持平衡姿态，保持稳定的飞行轨迹。箭体单元可采用水火箭等其它运载器来实现。发射单元包括发射板、弹射器及弹射板等，通过发射单元将箭体单元调整至合适的发射角度，以保证箭体单元能够准确而快速地运动至相应高度位置。箭体回收单元包括高度计、弹射器、降落伞，当箭体单元完成运载任务，通过箭体回收单元中的高度计检测到箭体单元的高度有所下降后，触发弹射器弹射出降落伞进行箭体单元的回收。
如图3，所述脱离单元2包括高度计、速度传感器、数据库及分离器；所述高度计可采用GPS或其它测高传感器对箭体单元1-1的高度进行实时检测并将测量值返回至数据库；所述速度传感器对箭体单元1-1上升的速度进行实时检测并将测量值返回至数据库；所述数据库存储有若干箭体单元1-1高度值及在此高度的速度值，其中箭体单元1-1高度值及在此高度的速度值与测量单元3的脱离高度一一对应，脱离高度满足测量单元3到达要求测试高度点时的瞬时速度为零；所述分离器可采用弹射式分离器、电磁式分离器或其它分离器，并根据数据库的处理结果将测量单元3从运载单元1上进行逐一分离。
所述测量单元3包括风速检测单元、综合处理单元、传感器回收单元，风速检测单元对测试高度点的瞬时风速进行检测，综合处理单元对所检测的瞬时风速数据进行实时回传、存储与记录，传感器回收单元对测量单元进行回收。所述风速检测单元包括风速传感器、风速传感器通信模块、风速传感器数据接收模块、数据储存单元、数据输出口及外围设备，其中风速传感器通信模块与风速传感器连接，数据储存单元与风速传感器数据接收模块连接并实时储存数据，风速传感器通信模块与风速传感器数据接收模块进行无线数据传输，数据输出口进行数据读取输出，外围设备为其它设备进行供电；所述综合处理单元采用8位处理芯片的微处理器，且与风速检测单元连接；所述传感器回收单元包括弹射器、降落伞、高度计。当测量单元3脱离箭体单元1并运动至测量高度点时，风速检测单元对测试高度点的瞬时风速进行检测，并通过综合处理单元对所检测的瞬时风速数据进行实时回传、存储与记录，当测量单元3检测到测量高度点的瞬时风速后，传感器回收单元的高度计检测到测量单元的高度下降后触发弹射器工作弹射出降落伞对测量单元进行回收。
也就是说，本系统通过运载单元1将若干测量单元3分别运载到对应脱离高度点后，利用脱离单元2进行分离，分离后各个测量单元3竖直运动至测量高度点进行瞬时风速的测量并对所测量的瞬时风速数据进行实时回传、存储，在测量单元3达到最高点后传感器回收单元对测量单元进行回收，在箭体单元1-1到达最高点后箭体回收单元1-3对箭体单元进行回收。
参见图4，本实施例箭载立体高度实时风速测量方法，包括以下步骤：
(1)按照实际的测试任务要求将运载单元布置于相应位置点，并通过发射单元调节箭体单元的发射角度；
(2)调试脱离单元的分离器是否正常工作，调试后将脱离单元布置于运载单元的箭体单元上；
(3)调试测试单元的综合处理单元，确认正常，并将测量单元逐一安装于对应的脱离单元上；
(4)立体高度实时风速测量：
(4.1)系统的发射：当运载单元满足发射条件后，通过发射单元将箭体单元按照相应的测试点竖直发射；
(4.2)测量单元脱离：通过脱离单元对箭体单元高度及速度进行实时检测，并与数据库中存储的对应高度值及速度值进行对比，当箭体单元到达第一脱离高度点时，通过脱离单元中的分离器将测量单元与脱离单元进行分离，从而脱离箭体单元，分离后测量单元向上运动至第一测量高度点；当箭体单元到达第二脱离高度点时进行第二个测量单元的分离，分离后测量单元竖直运动至第二测量高度点；其他测量单元在到达相应脱离高度点后从箭体单元侧面从下向上依次向上脱离，且各个测量单元在同一时刻到达对应的测量高度点，从而实现以多种高度差对同一时段立体高度方向上的风速进行测量。
(4.3)风速测量及数据处理：测量单元脱离箭体单元后以一定的竖直速度从脱离高度点竖直运动至测量高度点，且到达测量高度点时测量单元的竖直高度最大、瞬时速度为零，通过测量单元中携带的传感器回收单元中的高度计对测量单元的高度进行实时检测并与之前的高度值进行对比，当检测到测量单元到达测量高度点时风速传感器对该测量高度点的瞬时风速进行测量并将测量值进行存储记录、回传至位于地面的风速传感器数据接收模块。
(4.4)设备回收：当运载单元的箭体单元完成测量单元的脱离任务后，箭体回收单元通过高度计检测箭体单元是否达到最高点，当箭体单元达到最高点后箭体回收单元对箭体单元进行回收；同时测量单元中携带的传感器回收单元通过高度计检测测量单元到达最高点后，传感器回收单元中的弹射器就会将降落伞弹开进行测量单元的回收。
以上所述的实施例仅仅是示意性的，需要说明的是本发明的说明书中，说明了大量具体细节；然而应当理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实现。此外，在实施例中，并未详细示出一些公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
需说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种箭载立体高度实时风速测量系统，其特征在于，包括：运载单元、若干脱离单元、若干测量单元；测量单元嵌套在脱离单元上，若干测量单元通过若干脱离单元固定于运载单元的一侧；
运载单元将若干测量单元分别运载到对应脱离高度点后，利用脱离单元进行分离，分离后各个测量单元竖直运动至测量高度点进行瞬时风速的测量并对所测量的瞬时风速数据进行实时回传、存储；
在测量单元达到最高点后对测量单元进行回收，在箭体单元到达最高点后对箭体单元进行回收；
所述脱离单元包括高度计、速度传感器、数据库及分离器；高度计对箭体单元的高度进行实时检测并将测量值返回至数据库；速度传感器对箭体单元上升的速度进行实时检测并将测量值返回至数据库；所述数据库存储有若干箭体单元的高度值及在此高度的速度值，其中箭体单元的高度值及在此高度的速度值与测量单元的脱离高度一一对应，脱离高度满足测量单元到达要求测试高度点时的瞬时速度为零；所述分离器根据数据库的处理结果将测量单元从运载单元上进行逐一分离。
2.根据权利要求1所述的箭载立体高度实时风速测量系统，其特征在于，所述运载单元包括箭体单元、发射单元、箭体回收单元，箭体单元具有一对尾翼，脱离单元设置在箭体单元上。
3.根据权利要求2所述的箭载立体高度实时风速测量系统，其特征在于，发射单元包括发射板、弹射器及弹射板，通过发射单元将箭体单元调整至合适的发射角度；箭体回收单元包括高度计、弹射器、降落伞，当箭体单元完成运载任务，通过箭体回收单元中的高度计检测到箭体单元的高度有所下降后，触发弹射器弹射出降落伞进行箭体单元的回收。
4.根据权利要求1所述的箭载立体高度实时风速测量系统，其特征在于，所述测量单元包括风速检测单元、综合处理单元、传感器回收单元，综合处理单元与风速检测单元连接，传感器回收单元包括弹射器、降落伞、高度计；
当测量单元脱离箭体单元并运动至测量高度点时，风速检测单元对测试高度点的瞬时风速进行检测，并通过综合处理单元对所检测的瞬时风速数据进行实时回传、存储与记录，当测量单元检测到测量高度点的瞬时风速后，传感器回收单元的高度计检测到测量单元的高度下降后触发弹射器工作弹射出降落伞对测量单元进行回收。
5.根据权利要求4所述的箭载立体高度实时风速测量系统，其特征在于，所述风速检测单元包括风速传感器、风速传感器通信模块、风速传感器数据接收模块及数据储存单元，其中风速传感器通信模块与风速传感器连接，数据储存单元与风速传感器数据接收模块连接并实时储存数据，风速传感器通信模块与风速传感器数据接收模块进行无线数据传输。
6.基于权利要求1所述箭载立体高度实时风速测量系统的测量方法，其特征在于，运载单元包括箭体单元、发射单元、箭体回收单元，发射单元包括发射板、弹射器及弹射板；所述脱离单元包括高度计、速度传感器、数据库及分离器；所述测量单元包括风速检测单元、综合处理单元、传感器回收单元；所述测量方法包括以下步骤：
(1)将运载单元布置于相应位置点，通过发射单元调节箭体单元的发射角度；
(2)调试脱离单元的分离器，调试后将脱离单元布置于运载单元的箭体单元上；
(3)调试综合处理单元，将测量单元逐一安装于对应的脱离单元上；
(4)立体高度实时风速测量：
(4.1)当运载单元满足发射条件后，通过发射单元将箭体单元按照相应的测试点竖直发射；
(4.2)测量单元脱离：通过脱离单元对箭体单元高度及速度进行实时检测，并与数据库中存储的对应高度值及速度值进行对比，当箭体单元到达第一脱离高度点时，通过脱离单元中的分离器将测量单元与脱离单元进行分离，分离后测量单元向上运动至第一测量高度点；当箭体单元到达第二脱离高度点时进行第二个测量单元的分离，分离后测量单元竖直运动至第二测量高度点；其他测量单元在到达相应脱离高度点后从箭体单元侧面从下向上依次向上脱离，且各个测量单元在同一时刻到达对应的测量高度点；
(4.3)风速测量及数据处理：测量单元脱离箭体单元后从脱离高度点竖直运动至测量高度点，且到达测量高度点时测量单元的竖直高度最大、瞬时速度为零，通过测量单元中携带的传感器回收单元中的高度计对测量单元的高度进行实时检测并与之前的高度值进行对比，当检测到测量单元到达测量高度点时风速传感器对该测量高度点的瞬时风速进行测量并将测量值进行存储记录、回传至位于地面的风速传感器数据接收模块。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(4.4)设备回收：当运载单元的箭体单元完成测量单元的脱离任务后，箭体回收单元通过高度计检测箭体单元是否达到最高点，当箭体单元达到最高点后箭体回收单元对箭体单元进行回收；同时测量单元中携带的传感器回收单元通过高度计检测测量单元到达最高点后，传感器回收单元中的弹射器就会将降落伞弹开进行测量单元的回收。
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