CN110286390A - 一种指定路径风速测量方法、装置及测风雷达标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种指定路径风速测量方法、装置及测风雷达标定方法，属于风速测量技术领域，通过三维超声风速仪安装在多旋翼飞行器上方对3km以下空间进行风速测量，飞控通过数传电台将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑，地面站电脑通过数传电台加载到飞控上，将遥控器上飞行模式切换到自动模式后多旋翼飞行器自动开始执行任务进行测量，通过飞控将测得的时间、高度、位置坐标以及传感器测得的风速、风向等数据进行融合后利用数传传输到地面数据接收端。本发明可保证在3km以下测量任意点的垂直风速廓线，且数据密度可控，降低了数据丢失的可能，大幅降低成本，消除载体对测量的影响，测量精度更高。

Description

一种指定路径风速测量方法、装置及测风雷达标定方法

技术领域

本发明涉及一种风速测量及雷达标定方法，特别是涉及一种指定路径风速测量及测风雷达标定方法，属于风速测量技术领域。

背景技术

大气的风场是天气预报和气候研究的一个很重要参数，对人类的日常活动及军事等方面都有非常重要的影响。目前，获得大气风场数据主要有三种方式：

(1)利用气象气球获得直接的局部风场分布，利用GPS模块测量气球在上升过程中位置及高度的变化，计算出风速随高度的分布。该方法属于直接测量方法，测得的数据较为可靠，但成本较高，且获得一个风廓线所需的时间较长。

(2)利用计算机模型反演出风场的变化。根据以往在陆地上测得的风场数据及温度湿度数据，建立特定的模型来推导其他地区的风场分布。该方法得到风场分布往往与实际的风场有较大的误差，这主要是由于对影响风场的大气参量了解不够。

(3)激光多普勒雷达方法，利用探测器接收特定波长的激光的回波信号，并反演出激光路径上的大气风场分布。该方法具有探测精度高、实时性好等优点，但是激光多普勒雷达有较大的盲区，反演数据的准确性受标定的影响很大。

传统的测量风速风向技术是采用螺旋桨式的螺旋传感器。风经过传感器上的桨叶时，带动桨叶旋转，通过测量桨叶的速度来测算风速，在螺旋桨后方的舵面能够自动调整方向，使得桨叶平面始终垂直于风吹来的方向，进而测得风向。由于存在转动部件，在自然环境的影响，其测量精度会受到摩擦、腐蚀等因素的影响导致测量精度的降低。由于转动部件有一定的转动惯量，所以传统的风速风向仪还要求有启动风速。

超声波测风技术通过测量声音在空气中的传播速度来推算风速风向。声波在空气中的传播主要是依靠空气的压缩和膨胀，而风本质上就是空气的流动，因此声音在空气中的传播速度会和风向上的气流速度叠加。假设A，B两点的距离为L，声速为S，风速为V(假设风从A吹向B)，测量得到声波从A传播到B的时间为t₁，那么可以推算出：

一般情况下，声波在静止空气中的传播速度与温度和气压有关，要精确测量空气中的声速比较困难，在实际应用中通过测量两个方向上声波的传递时间，可以消除声速S，此时风速只和声波在两个风向上的传播距离有关。假设第二次测量声波从B传播到A的时间为t₂，则：

两式相加可得：

与传统的机械式测风仪相比，超声测风仪测风过程中无机械磨损，理论上无启动风速，反应速度快、测量精度高、分辨率高、维护成本低、能测量风速中的高频脉动成分等优点。

发明内容

本发明的主要目的是为了提供一种指定路径风速测量方法及测风雷达标定方法，利用无人机携带超声风速仪，实现指定路径上的风场分布测量，克服探空气球法实时性差及激光多普勒雷达具有盲区的问题。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种指定路径风速测量方法，包括如下步骤：

步骤1：将带有电池、数据传输模块的三维超声风速仪安装在多旋翼飞行器上方，对3km以下空间进行风速测量；

步骤2：多旋翼飞行器上的飞控通过数传电台与地面站电脑无线连接，飞控通过数传电台将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑；

步骤3：地面站电脑通过数传电台加载到飞控上，使用遥控器解锁多旋翼飞行器，将遥控器上飞行模式切换到自动模式后多旋翼飞行器自动开始执行任务进行测量；

步骤4：测量时，通过飞控将测得的时间、高度、位置坐标以及传感器测得的风速、风向等数据进行融合后利用数传传输到地面数据接收端。

优选的，在多旋翼飞行器上安装了稳定云台，传感器安装在稳定云台上，保证传感器的姿态稳定性，稳定云台采用斯坦尼康结构。

优选的，三维超声风速仪通过碳纤维杆与多旋翼飞行器上的稳定云台连接，三维超声风速仪安装在多旋翼飞行器上放约m的位置。

优选的，通过多旋翼飞行器的悬停实现在任意地点、任意高度的风速测量。

一种指定路径风速测量装置，包括多旋翼飞行器、地面站电脑及安装在多旋翼飞行器上方对3km以下空间进行风速测量的带有超声风速计、气压计、温度计及姿态传感器的探测器，多旋翼飞行器包括机身以及安装在所述机身外侧的多个机架，在每个所述机架的端部安装有无刷电机和无刷电子调速器，在所述机身内部安装有飞控、GPS模块、数传电台和接收机，所述GPS模块、所述数传电台、所述接收机和所述无刷电子调速器均与所述飞控连接，所述无刷电子调速器通过接收所述飞控的油门信号控制所述无刷电机转速，在所述飞控内部集成有加速度计、电子罗盘和气压高度计，所述接收机还与遥控器通讯连接。

优选的，所述探测器的数据与所述飞控相连，所述飞控通过所述数传电台与地面站电脑无线连接，遥控器信号由所述接收机接收后将信息发送给所述飞控。

优选的，所述探测器通过碳纤维杆及稳定云台与多旋翼飞行器的所述机身连接，所述飞控通过所述数传电台将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑，地面站电脑设置任务后通过所述数传电台加载到所述飞控上。

优选的，测量时把测得的大气压强P、温度T和风速风向及从所述飞控获得实时的高度和位置数据通过所述数传电台发送到地面站。

优选的，根据测风雷达的指向和位置，在地面站设置多旋翼飞行器的航点任务后，使用遥控器解锁多旋翼飞行器，操作多旋翼飞行器飞行到测风雷达附近，记录下测量开始时间，将飞行模式切换到任务模式，多旋翼飞行器按照设置的任务航点进行风速的测量，将多旋翼飞行器的高度与测量得到的大气风速进行处理，拟合出3km以下的各个高度上的风速廓线与测风雷达测得的风速廓线进行对比分析。

一种测风雷达标定方法，包括如下步骤：

步骤1：对测风雷达进行标定，根据测风雷达的位置及指向规划多旋翼飞行器的飞行路径及测量点；

步骤2：使用遥控器解锁多旋翼飞行器，然后操作多旋翼飞行器飞到测量开始端附近；

步骤3：利用遥控器将飞行模型切换到任务模式，多旋翼飞行器将会按照预设的速度、航线执行测量任务；

步骤4：根据数据中的坐标及高度信息对待测路径上的风速进行拟合，与测风雷达测得的风速廓线进行对比。

本发明的有益技术效果：本发明提供的指定路径风速测量及测风雷达标定方法，具有如下特点：

1、可以在空中任意点进行悬停测量，可保证在3km以下测量任意点的垂直风速廓线，且数据密度可控。

2、测量仪器可以重复使用，在测量时可以把实验数据直接发送到地面端，降低了由飞机失控、丢失导致实验数据丢失的可能。

3、与采用探空气球法相比，不需要使用价格高昂的氦气，也不会对测量仪器造成损坏，可以大幅降低实验成本，实验操作方便快捷。

4、消除了载体对测量的影响，测量精度比探空气球法更高。

附图说明

图1为按照本发明的指定路径风速测量系统的一优选实施例的结构示意图。

图中：1-无刷电机，2-无刷电子调速器，3-机架，4-飞控，5-GPS模块，6-数传电台，7-接收机，8-机身，9-探测器。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例1提供的指定路径风速测量方法，包括如下步骤：

步骤1：将带有电池、数据传输模块的三维超声风速仪安装在多旋翼飞行器上方，对3km以下空间进行风速测量；

步骤2：多旋翼飞行器上的飞控通过数传电台与地面站电脑无线连接，飞控通过数传电台将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑；

步骤3：地面站电脑通过数传电台加载到飞控上，使用遥控器解锁多旋翼飞行器，将遥控器上飞行模式切换到自动模式后多旋翼飞行器自动开始执行任务进行测量；

步骤4：测量时，通过飞控将测得的时间、高度、位置坐标以及传感器测得的风速、风向等数据进行融合后利用数传传输到地面数据接收端。

在本实施例1中，在多旋翼飞行器上安装了稳定云台，传感器安装在稳定云台上，保证传感器的姿态稳定性，稳定云台采用斯坦尼康结构，三维超声风速仪通过碳纤维杆与多旋翼飞行器上的稳定云台连接，三维超声风速仪安装在多旋翼飞行器上放约2m的位置，通过多旋翼飞行器的悬停实现在任意地点、任意高度的风速测量。

实施例2：

如图1所示，本实施例2提供的指定路径风速测量装置，包括多旋翼飞行器、地面站电脑及安装在多旋翼飞行器上方对3km以下空间进行风速测量的带有超声风速计、气压计、温度计及姿态传感器的探测器9，多旋翼飞行器包括机身8以及安装在机身8外侧的多个机架3，在每个机架3的端部安装有无刷电机1和无刷电子调速器2，在机身8内部安装有飞控4、GPS模块5、数传电台6和接收机7，GPS模块5、数传电台6、接收机7和无刷电子调速器2均与飞控4连接，无刷电子调速器2通过接收飞控4的油门信号控制无刷电机1转速，在飞控4内部集成有加速度计、电子罗盘和气压高度计，接收机7还与遥控器通讯连接。

在本实施例2中，探测器9的数据与飞控4相连，飞控4通过数传电台6与地面站电脑无线连接，遥控器信号由接收机7接收后将信息发送给飞控4，探测器9通过碳纤维杆及稳定云台与多旋翼飞行器的机身8连接，飞控4通过数传电台6将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑，地面站电脑设置任务后通过数传电台加载到飞控4上。

在本实施例2中，测量时把测得的大气压强P、温度T和风速风向及从飞控4获得实时的高度和位置数据通过数传电台6发送到地面站，根据测风雷达的指向和位置，在地面站设置多旋翼飞行器的航点任务后，使用遥控器解锁多旋翼飞行器，操作多旋翼飞行器飞行到测风雷达附近，记录下测量开始时间，将飞行模式切换到任务模式，多旋翼飞行器按照设置的任务航点进行风速的测量，将多旋翼飞行器的高度与测量得到的大气风速进行处理，拟合出3km以下的各个高度上的风速廓线与测风雷达测得的风速廓线进行对比分析。

实施例3：

本实施例3提供的测风雷达标定方法，包括如下步骤：

步骤1：对测风雷达进行标定，根据测风雷达的位置及指向规划多旋翼飞行器的飞行路径及测量点；

步骤2：使用遥控器解锁多旋翼飞行器，然后操作多旋翼飞行器飞到测量开始端附近；

步骤3：利用遥控器将飞行模型切换到任务模式，多旋翼飞行器将会按照预设的速度、航线执行测量任务；

步骤4：根据数据中的坐标及高度信息对待测路径上的风速进行拟合，与测风雷达测得的风速廓线进行对比。

综上所述，指定路径风速测量及测风雷达标定方法，将带有电池、数据传输模块的三维超声风速仪安装在多旋翼飞行器上方，对3km以下空间进行风速测量，三维超声风速仪通过碳纤维杆与多旋翼飞行器上的稳定云台连接。多旋翼飞行器上飞控通过数传电台与地面站电脑无线连接，飞控通过数传电台将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑，地面站电脑可设置任务后通过数传电台加载到飞控上，使用遥控器解锁多旋翼飞行器，将遥控器上飞行模式切换到自动模式后多旋翼飞行器就会自动开始执行任务进行测量。依靠多旋翼飞行器的悬停能力，可以实现在任意地点、任意高度进行稳定的风速测量。

测量时，通过飞控将测得时间、高度、位置坐标以及传感器测得的风速、风向等数据进行融合后利用数传传输到地面数据接收端。

对测风雷达进行标定时，根据测风雷达的位置及指向规划多旋翼飞行器的飞行路径及测量点，使用遥控器解锁多旋翼飞行器，然后操作多旋翼飞行器飞到测量开始端附近，利用遥控器将飞行模型切换到任务模式，多旋翼飞行器将会按照预设的速度、航线执行测量任务。最后，根据数据中的坐标及高度信息对待测路径上的风速进行拟合，与测风雷达测得的风速廓线进行对比。

传统的探空气球在上升过程中，受到风的影响，会偏离原来位置，利用GPS模块得到的气球位置的变化量来计算该高度上的风速及风向。但探空气球本身是柔性的，当收到风吹尤其是强风吹是，其形状会发生变化，而且在升上过程中，探空气球的体积是不断变大的，这便导致探空气的的风阻是一直变换的，因此利用探空气球测得的风速与实际风速仍有一定的差异。当气球在一定高度爆炸后，所挂载的仪器自由飘落，即使能够找回所挂仪器，仪器往往也有较大的损坏，因此该种方法还不利于仪器的重复使用。

由于多旋翼飞行器本身会产生一个较强风场，而且其下方的风场远强于上方的风场，为了避免多旋翼本身自身风场对测量造成影响，将三维超声风速仪安装在多旋翼飞行器上放约2m的位置。多旋翼飞行器在受到风的影响时，会通过调整自身的飞行姿态来克服，为了避免多旋翼飞行器自身姿态对传感器的测量产生影响，在多旋翼飞行器与传感器之间安装了稳定云台，保证传感器的姿态稳定性。由于探测器距离多旋翼飞行器较远，力矩较大，因此稳定云台采用斯坦尼康结构。探测器安装在云台上端，而电池等较重部件安装在云台下端。依靠多旋翼飞行器上自带的GPS模块及其他惯性传感器，可以将多旋翼飞行器位置水平偏差控制在+2m以内、垂直偏差控制在±0.5m以内，从而实现精确的路径测量。

如图1所示，指定路径风速测量及测风雷达标定方法，将带有超声风速计、气压计、温度计及姿态传感器的探测器9安装在多旋翼飞行器上方对3km以下空间进行风速的测量，包括有多旋翼飞行器、探测器和地面站电脑，多旋翼飞行器包括有机身8以及安装在机身8外侧的多个机架3，在每个机架3的端部安装有无刷电机1和无刷电子调速器2，在机身8内部安装有飞控4、GPS模块5、数传电台6、接收机7，GPS模块5、数传电台6、接收机7和无刷电子调速器2均与飞控4连接，无刷电子调速器2通过接收飞控的油门信号控制无刷电机转速，在飞控4内部集成有加速度计、电子罗盘和气压高度计，接收机7还与遥控器通讯连接，探测器9内部包括有超声风速计、气压计、温度计及姿态传感器。探测器数据与飞控相连，飞控4通过数传电台6与地面站电脑无线连接，遥控器信号由接收机7接收后将信息发送给飞控4，探测器通过碳纤维杆及稳定云台与多旋翼飞行器的机身连接，飞控4通过数传电台6将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑，地面站电脑设置任务后通过数传电台加载到飞控4上，使用遥控器解锁多旋翼飞行器，将遥控器上飞行模式切换到自动模式后多旋翼飞行器就会自动开始执行任务进行测量，依靠多旋翼飞行器的悬停能力和稳定云台，可以用探测器9实现在任意地点、任意高度进行稳定的参数测量，测量时把实验测得的大气压强P、温度T和风速风向及从飞控获得实时的高度和位置数据通过数传电台6发送到地面站；根据测风雷达的指向和位置，在地面站设置多旋翼飞行器的航点任务后，使用遥控器解锁多旋翼飞行器，然后操作多旋翼飞行器飞行到测风雷达附近，记录下测量开始时间，将飞行模式切换到任务模式，多旋翼飞行器将会按照设置的任务航点进行风速的测量，将多旋翼飞行器的高度与测量得到的大气风速进行处理，拟合出3KM以下的各个高度上的风速廓线与测风雷达测得的风速廓线进行对比分析。

综上所述，在本实施例中，本实施例提供的指定路径风速测量方法，可以在空中任意点进行悬停测量，可保证在3km以下测量任意点的垂直风速廓线，且数据密度可控；测量仪器可以重复使用，在测量时可以把实验数据直接发送到地面端，降低了由飞机失控、丢失导致实验数据丢失的可能；与采用探空气球法相比，不需要使用价格高昂的氦气，也不会对测量仪器造成损坏，可以大幅降低实验成本，实验操作方便快捷；消除了载体对测量的影响，测量精度比探空气球法更高。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种指定路径风速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将带有电池、数据传输模块的三维超声风速仪安装在多旋翼飞行器上方，对3km以下空间进行风速测量；

步骤2：多旋翼飞行器上的飞控通过数传电台与地面站电脑无线连接，飞控通过数传电台将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑；

步骤3：地面站电脑通过数传电台加载到飞控上，使用遥控器解锁多旋翼飞行器，将遥控器上飞行模式切换到自动模式后多旋翼飞行器自动开始执行任务进行测量；

步骤4：测量时，通过飞控将测得的时间、高度、位置坐标以及传感器测得的风速、风向等数据进行融合后利用数传传输到地面数据接收端。

2.如权利要求1所述的一种指定路径风速测量方法，其特征在于，在多旋翼飞行器上安装了稳定云台，传感器安装在稳定云台上，保证传感器的姿态稳定性，稳定云台采用斯坦尼康结构。

3.如权利要求2所述的一种指定路径风速测量方法，其特征在于，三维超声风速仪通过碳纤维杆与多旋翼飞行器上的稳定云台连接，三维超声风速仪安装在多旋翼飞行器上放约2m的位置。

4.如权利要求2所述的一种指定路径风速测量方法，其特征在于，通过多旋翼飞行器的悬停实现在任意地点、任意高度的风速测量。

5.一种指定路径风速测量装置，其特征在于，包括多旋翼飞行器、地面站电脑及安装在多旋翼飞行器上方对3km以下空间进行风速测量的带有超声风速计、气压计、温度计及姿态传感器的探测器(9)，多旋翼飞行器包括机身(8)以及安装在所述机身(8)外侧的多个机架(3)，在每个所述机架(3)的端部安装有无刷电机(1)和无刷电子调速器(2)，在所述机身(8)内部安装有飞控(4)、GPS模块(5)、数传电台(6)和接收机(7)，所述GPS模块(5)、所述数传电台(6)、所述接收机(7)和所述无刷电子调速器(2)均与所述飞控(4)连接，所述无刷电子调速器(2)通过接收所述飞控(4)的油门信号控制所述无刷电机(1)转速，在所述飞控(4)内部集成有加速度计、电子罗盘和气压高度计，所述接收机(7)还与遥控器通讯连接。

6.如权利要求5所述的一种指定路径风速测量装置，其特征在于，所述探测器(9)的数据与所述飞控(4)相连，所述飞控(4)通过所述数传电台(6)与地面站电脑无线连接，遥控器信号由所述接收机(7)接收后将信息发送给所述飞控(4)。

7.如权利要求5所述的一种指定路径风速测量装置，其特征在于，所述探测器(9)通过碳纤维杆及稳定云台与多旋翼飞行器的所述机身(8)连接，所述飞控(4)通过所述数传电台(6)将飞行高度、速度信息等发送到地面站电脑，地面站电脑设置任务后通过所述数传电台加载到所述飞控(4)上。

8.如权利要求5所述的一种指定路径风速测量装置，其特征在于，测量时把测得的大气压强P、温度T和风速风向及从所述飞控(4)获得实时的高度和位置数据通过所述数传电台(6)发送到地面站。

9.如权利要求5所述的一种指定路径风速测量装置，其特征在于，根据测风雷达的指向和位置，在地面站设置多旋翼飞行器的航点任务后，使用遥控器解锁多旋翼飞行器，操作多旋翼飞行器飞行到测风雷达附近，记录下测量开始时间，将飞行模式切换到任务模式，多旋翼飞行器按照设置的任务航点进行风速的测量，将多旋翼飞行器的高度与测量得到的大气风速进行处理，拟合出3km以下的各个高度上的风速廓线与测风雷达测得的风速廓线进行对比分析。

10.一种测风雷达标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对测风雷达进行标定，根据测风雷达的位置及指向规划多旋翼飞行器的飞行路径及测量点；

步骤2：使用遥控器解锁多旋翼飞行器，然后操作多旋翼飞行器飞到测量开始端附近；

步骤3：利用遥控器将飞行模型切换到任务模式，多旋翼飞行器将会按照预设的速度、航线执行测量任务；

步骤4：根据数据中的坐标及高度信息对待测路径上的风速进行拟合，与测风雷达测得的风速廓线进行对比。