CN110244076B - 一种监测交通工具安全经济时速的分布式方法和测风装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种监测交通工具安全经济时速的分布式方法和测风装置，其解决了现有交通工具运行速度测量装置体积大、移植性差、且测量精度较低的技术问题，本发明的测风装置包括壳体，壳体内部设为电路腔，电路腔内部设有测量模块，壳体内部设置传感腔，传感腔内部设有气压传感器，壳体前壁开设进风口，传感腔前端开设感压孔，进风口的两端分别通过挡风板连接到传感腔，两个挡风板与传感腔前壁形成进风通道，感压孔设于两个挡风板之间，本发明可广泛用于车辆控制技术领域。

Description

一种监测交通工具安全经济时速的分布式方法和测风装置
技术领域
本发明涉及车辆控制技术领域，尤其是涉及一种监测交通工具安全经济时速的分布式方法和测风装置。
背景技术
随着经济与科技的发展，车辆、船舶、飞机等载重交通工具被得到广泛的应用，运行速度将直接关系到交通工具的安全与能耗，由于风等外界环境与人为因素，造成运行速度与能耗不匹配，产生不必要的能源浪费，甚至影响到交通工具的行驶安全，因此，有风环境下，对交通工具的安全经济运行速度实时监测很有必要。
当前市面，检测风速的仪器设备主要分为三类：热敏式，叶轮式和气压式测量仪；热敏式与叶轮式风速测量仪需无障碍空气流通，且体积无法过小，可移植性差；由于气压传感器逐渐趋于微型化，气压式风速测量仪能够体积小型化制作，但气体压强不同时间不同地区差别很大，无法精准检测风速。
从安装角度考虑，检测交通工具安全经济运行速度的装置主要分为两大类：安装于交通工具上的装置和安装于行驶路段的装置。
1.安装于交通工具上的运行速度检测装置，多是针对特定交通工具进行的运行速度检测装置设计，例如，公开号：CN201510527553介绍了一种适用于列车的车载风速风向仪，通过检测风速指导轨道车辆的安全速度；该类装置多是专用性强，移植适用性差，且系统相对较为复杂；
2.安装于行驶路段的运行速度检测装置，受地理环境约束性强，不适用于像飞机、船舶等交通工具的运行速度检测，多用于车辆运行速度检测，例如，公开号：CN201110223753介绍一种公路行车经济运行速度提示牌，安装于多风地区的公路旁，提示过往行车司机经济速度；该类装置只可给出环境对经济运行速度的影响数值，对于不同车型需人为计算出实际的经济运行速度，驾驶员无法及时准确的获取经济运行速度并做出运行速度调整；且检测装置造价较高，体积大，适用面窄。
因此，需要发明一种精度高、移植性好、结构简单、操作简便的安全运行速度与经济运行速度检测装置。
发明内容
本发明就是针对现有交通工具运行速度测量装置体积大、移植性差、且测量精度较低的技术问题，提供一种结构简单、移植性好、测量精度较高的监测交通工具安全经济时速的分布式方法和测风装置。
为此，本发明的测风装置包括壳体，壳体内部设为电路腔，电路腔内部设有测量模块，壳体内部设置传感腔，传感腔内部设有气压传感器，壳体前壁开设进风口，传感腔前端开设感压孔，进风口的两端分别通过挡风板连接到传感腔，两个挡风板与传感腔前壁形成进风通道，感压孔设于两个挡风板之间。
优选的，挡风板相对壳体前壁向上倾斜设置，使感压孔与进风口交错；壳体前壁内部设有加热器。
优选的，测量模块包括子数据处理单元、数据采集单元、近程通信单元、温度检测单元和加热单元，气压传感器将检测到气体压强值通过数据采集单元传送到子数据处理单元。
优选的，测量模块电连接有控制模块，控制模块包括远程通信单元、用户交互单元、显示单元、总数据处理单元和移动矢量数据获取单元。
优选的，一种监测交通工具安全经济运行速度的分布式方法，包括至少两个分布于交通工具上的测风装置，其具体步骤如下：
步骤1、录入交通工具的性能参数；
步骤2、采用测风装置实时监测各气压传感器的压强值；
步骤3、根据各气压传感器的压强值计算总风压值；
步骤4、将总风压值与交通工具的性能参数进行比较；
步骤5、计算当前风速下交通工具的经济运行速度。
优选的，测风装置设置为对称分布的4个。
优选的，步骤1中的性能参数包括安全运行速度压强值Ps和无风经济运行速度压强范围[Pemin，Pemax]。
优选的，步骤3中的总风压值通过如下方法计算：
(1)、在相互垂直的a方向与b方向中，选取两个方向中气压传感器的最大压强值分别设为Pa1、Pb1；
(2)、记录最大压强值Pa1、Pb1对称方向气压传感器的压强值Pa2、Pb2；
(3)、对a方向与b方向的风压值进行差值运算，即Pa＝Pa1-Pa2、Pb＝Pb1-Pb2；
(4)、将垂直方向的风压值进行累加，得到总风压值P＝Pa+Pb；
优选的，步骤4中总风压值与交通工具的性能参数分别进行比较，具体方法如下：
将安全运行速度压强值Ps与总风压值P进行比较；若Ps＜P，提示用户风速过大，停止交通工具移动；若Ps≥P，证明交通工具运行速度在安全范围内，可进行下一步的经济运行速度检测；
将无风经济运行速度压强范围[Pemin，Pemax]与总风压值P进行比较；若Pemin＜P＜Pemax，提示用户移动运行速度在经济运行速度范围，保持运行速度；若Pemin≥P或Pemax≤P，进行下一步计算当前经济运行速度vc。
优选的，步骤5中根据公式P＝0.5·Cwρvc 2+K(K为常数)，计算当前风速下交通工具的经济运行速度vc。
本发明的有益效果如下：
1.本发明采用气压传感器进行风速测量，该类传感器体积小、集成度高，且测风装置各硬件模块简单、易于集成，因此，单个测风装置体积可实现小型化，移植性强，便于测风装置的分布式应用；
2.本发明采用多个测风装置分布式应用，获取相对压强数值，可有效消除多因素造成的测量误差；
3.本发明不在局限于单一运行速度的测量应用，可实现经济运行速度与安全运行速度同时测量；
4.本发明的测风装置中感压孔与进风口交错设置，可实现防淋雨保护；
5.本发明为应对结冰及下雪堵塞装置的进风口，对测风装置进行加热保温应急处理，使得测风装置能在严寒天气正常工作。
附图说明
图1为本发明分布式测风装置的实施例图；
图2为测风装置的剖视示意图；
图3为测风系统的原理框图；
图4为本发明分布式方法的工作流程图。
图中符号说明：
1.交通工具；2.测风装置；201.底座；202.壳体；203.电路腔；204.传感腔；205.进风口；206.感压孔；207.挡风板；208.进风通道；3.测量模块；301.子数据处理单元；302.数据采集单元；303.近程通信单元；304.温度检测单元；305.数据存储单元；306.加热单元；4.控制模块；401.远程通信单元；402.用户交互单元；403.显示单元；404.总数据处理单元；405.移动矢量数据获取单元；5.互联网服务器；6.交通天气报告平台。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明使用多个小型测风装置2分布于交通工具1协调测量风速，且多个测风装置2对称分布，本实施例中采用4个测风装置2进行测试，测风装置2对称设于交通工具1的前、后、左、右4个方向，交通工具1的前、后向设为a方向，左、右向设为b方向，a方向与b方向垂直，当有自然风影响交通工具1移动时，根据4个测风装置测量风压不同，进而计算出自然风速与行车产生的风速。
如图2所示，测风装置2通过底座201与交通工具1的测量面接触安装，测风装置2包括设于底座201前端的壳体202，壳体202内部设为电路腔203，电路腔203内部设有测量模块3，壳体202内部设置传感腔204，传感腔204内部设有气压传感器，壳体202的前壁开设进风口205，传感腔204前端开设感压孔206，进风口205的两端分别通过挡风板207连接到传感腔204，两个挡风板207与传感腔204前壁形成进风通道208，感压孔206设于两个挡风板207之间，气压传感器通过感压孔206与外界气体接触；挡风板207相对壳体202前壁向上倾斜设置，使感压孔206与进风口205交错，实现防淋雨保护；壳体202前壁内部设有薄片加热器，当进风口205被雪覆盖或结冰时，应用加热器对壳体202进行加热，避免寒冷环境对气压传感器测量精度的影响。
本发明测风系统的硬件实现分为测量模块3和控制模块4，一个控制模块4可连接多个测量模块3，每个测量模块3与控制模块4的连接方式相同，如图3所示是以控制模块4与单个测量模块3硬件连接为例。
测量模块3包括子数据处理单元301、数据采集单元302、近程通信单元303、温度检测单元304、数据存储单元305和加热单元306，子数据处理单元301分别与数据采集单元302、近程通信单元303、温度检测单元304和加热单元305电连接，数据采集单元302与气压传感器电连接，气压传感器将检测到气体压强值通过数据采集单元302传送到子数据处理单元301，子数据处理单元301可采用ARM、单片机等芯片实现，通过数据存储单元305实现数据的缓存；通过温度检测单元304检测测风装置的温度信号，温度检测单元304可采用数字式温度传感器，温度检测单元304将温度信号传送到子数据处理单元301，当温度低于0℃时，子数据处理单元301通过加热单元306控制加热器进行加热，将进风口205处的冰雪融化；子数据处理单元301通过近程通信单元303将检测到的风雅信号传送到控制模块4，近程通信单元303可采用蓝牙、WiFi、Zigbee等短距离通信模块。
控制模块4包括远程通信单元401、用户交互单元402、显示单元403、总数据处理单元404和移动矢量数据获取单元405，总数据处理单元404分别与远程通信单元401、用户交互单元402、显示单元403和移动矢量数据获取单元405电连接，通过用户交互单元402实现测风装置参数的设置，用户交互单元402可通过ARM、单片机等控制芯片实现，并通过显示单元403(LED、数码管等)显示出设置的参数，同时，可通过移动矢量数据获取单元405，获取被测交通工具的移动矢量数据，移动矢量数据获取单元405的硬件可采用GPS、北斗等实现；总数据处理单元404接收测量模块3传送的风压信号，通过远程通信单元401与互联网服务器5进行信息交互，将采集及处理数据上传至互联网服务器5，控制指令下达至总数据处理单元404，总数据处理单元404可通过DSP、高配置单片机等核心芯片实现，远程通信单元401的可通过GPRS、2G、4G等实现远程数据的传输；互联网服务器5对上传的数据计算处理，获取安全时速、经济时速、风速风向等信息，其中部分信息可提供给交通天气报告平台6，获取实时测量数据。
单个测风装置是通过检测气体总压强P实现风速v测量，计算公式如下：
Figure GDA0003371812090000061
其中，Cw为空气阻力系数，ρ为空气密度，Ke为大气压强环境相关变量，Km为交通工具受力相关量，A为感压孔的有效面积。
大气环境与交通工具的相关量值，影响着测量风速的精度，因此，需要消除Ke与Km对风速测量的干扰。
由于交通工具的受力相关量易于获得，可通过人机交互对相关参数设置；同时，本发明采用多个测风装置协调工作减小大气压强差异，提高风速测量精度，其原理的表述以4个测风装置为例，如图4所示。测风装置系统的工作步骤如下：
步骤1、录入交通工具的性能参数：
(1)启动系统对其上电，使得系统正常运行；
(2)录入交通工具的性能参数，包括安全运行速度压强值Ps和无风经济运行速度压强范围[Pemin，Pemax]；
(3)依照录入的性能参数重置系统，使其符合当前测量条件。
步骤2、采用测风装置实时监测各气压传感器的压强值：
(4)将数据采集单元302获取的数据传送至子数据处理单元301、进而传送至总数据处理单元404，实现4个气压传感器压强值的实时监测。
步骤3、根据各气压传感器的压强值计算总风压值：
(5)在相互垂直的a方向与b方向中，选取两个方向中气压传感器的最大压强值分别设为Pa1、Pb1；
(6)记录最大压强值Pa1、Pb1对称方向气压传感器的压强值Pa2、Pb2；
(7)对a方向与b方向的风压值进行差值运算，即Pa＝Pa1-Pa2、Pb＝Pb1-Pb2，差值运算可减小单个测风装置中Ke与Km对风速测量精度的影响，消除大气压强变化与移动阻力带来的测量误差；
(8)将垂直方向的风压值进行累加，得到总风压值P＝Pa+Pb。
步骤4、将总风压值与交通工具的性能参数进行比较：
(9)将安全运行速度压强值Ps与总风压值P进行比较；若Ps＜P，提示用户风速过大，停止交通工具移动；若Ps≥P，证明交通工具运行速度在安全范围内，可进行下一步的经济运行速度检测；
(10)将无风经济运行速度压强范围[Pemin，Pemax]与总风压值P进行比较；若Pemin＜P＜Pemax，提示用户移动运行速度在经济运行速度范围，保持运行速度；若Pemin≥P或Pemax≤P，进行下一步计算当前经济运行速度vc。
步骤5、计算当前风速下交通工具的经济运行速度：
(11)根据公式P＝0.5*CWρvc 2+K(K为常数)，计算当前风速下交通工具的经济运行速度vc；
(12)将计算的经济运行速度vc显示给用户；
(13)以此往复，再次返回步骤2实现循环。
(14)每次循环的相关数据均需要上传至互联网服务器5，其中包括三部分：①被测交通工具的移动矢量信息，获取被测交通工具的地理位置及行驶方向；②两垂直风压值Pa、Pb，其中，测量的总风压值P＝Pa+Pb，风向相对于气压传感器表面的夹角
Figure GDA0003371812090000081
③压强为Pa1与Pb2气压传感器的位置信息，即两垂直气压传感器相对于被测交通工具的位置，根据上述被测交通工具移动信息、气压传感器的摆放位置信息、风向与气压传感器的夹角α，可实时获取风向及位置信息；通过测量的总风压值P可计算行驶风速；最后根据风向、风速和风压值，实现上位机实时的经济时速提示，行驶路线规划选择，运行时段选择。
由于不同时刻、不同地区的大气压强有明显差异，气压的差异严重影响风压测量精度，因此本发明采用分布式测量装置，根据多个测风装置的数据比对，减小大气压强对测量的影响。
惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (5)

1.一种监测交通工具安全经济时速的分布式方法，包括分布于交通工具上的测风装置，所述测风装置包括壳体，壳体内部设为电路腔，电路腔内部设有测量模块，其特征在于，壳体内部设置传感腔，传感腔内部设有气压传感器，壳体前壁开设进风口，传感腔前端开设感压孔，进风口的两端分别通过挡风板连接到传感腔，两个挡风板与传感腔前壁形成进风通道，感压孔设于两个挡风板之间；所述挡风板相对壳体前壁向上倾斜设置，使所述感压孔与所述进风口交错；所述壳体前壁内部设有加热器；
其方法具体步骤如下：
步骤1、录入交通工具的性能参数；
步骤2、采用测风装置实时监测各气压传感器的压强值；
步骤3、根据各气压传感器的压强值计算总风压值；
(1)、在相互垂直的a方向与b方向中，选取两个方向中气压传感器的最大压强值分别设为Pa1、Pb1；
(2)、记录最大压强值Pa1、Pb1对称方向气压传感器的压强值Pa1、Pb1；
(3)、对a方向与b方向的风压值进行差值运算，即Pa＝Pa1-Pa2、Pb＝Pb1-Pb2；
(4)、将垂直方向的风压值进行累加，得到总风压值P＝Pa+Pb；
步骤4、将总风压值与交通工具的性能参数进行比较；
将安全运行速度压强值Ps与总风压值P进行比较；若Ps＜P，提示用户风速过大，停止交通工具移动；若Ps≥P，证明交通工具运行速度在安全范围内，可进行下一步的经济运行速度检测；
将无风经济运行速度压强范围[Pemin，Pemax]与总风压值P进行比较；若Pemin＜P＜Pemax，提示用户移动运行速度在经济运行速度范围，保持运行速度；若Pemin≥P或Pemax≤P，进行下一步计算当前经济运行速度vc；
步骤5、计算当前风速下交通工具的经济运行速度；
根据公式P＝0.5*CWρvc 2+K(K为常数)，计算当前风速下交通工具的经济运行速度vc；
其中，CW为空气阻力系数，ρ为空气密度；
根据被测交通工具移动信息、气压传感器的摆放位置信息、风向与气压传感器的夹角α，实时获取风向及位置信息；通过测量的总风压值P可计算行驶风速；根据风向、风速和风压值，实现上位机实时的经济时速提示，行驶路线规划选择，运行时段选择。
2.根据权利要求1所述的监测交通工具安全经济时速的分布式方法，其特征在于所述测量模块包括子数据处理单元、数据采集单元、近程通信单元、温度检测单元和加热单元。
3.根据权利要求1所述的监测交通工具安全经济时速的分布式方法，其特征在于所述测量模块电连接有控制模块，所述控制模块包括远程通信单元、用户交互单元、显示单元、总数据处理单元和移动矢量数据获取单元。
4.根据权利要求1所述的监测交通工具安全经济时速的分布式方法，其特征在于所述测风装置设置为对称分布的4个。
5.根据权利要求4所述的监测交通工具安全经济时速的分布式方法，其特征在于所述步骤1中的性能参数包括安全运行速度压强值Ps和无风经济运行速度压强范围[Pemin，Pemax]。
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