CN112485464B - 一种陀螺仪测风装置及风力、风向的测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种陀螺仪测风装置及风力、风向的测量方法，属于检测技术领域，该装置包括水平放置的球状体、竖直放置的弹性支撑杆以及用于测量风向和风力份测量器；所述球状体设置在弹性支撑杆的顶部，所述承风球内设有检测X、Y以及Z方向坐标位置的激光陀螺模块，所述激光陀螺模块与测量器相连接；该装置灵敏度高、精度高、结构简单、安装使用方便，数字化程度高，是一种高端测风装置。

Description

一种陀螺仪测风装置及风力、风向的测量方法

技术领域

本公开属于检测技术领域，具体是涉及一种陀螺仪测风装置及风力、风向的测量方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

风电作为清洁绿色能源，近年来发展极为迅速，风电场规模越来越大，单机容量也越来越扩大，我国已成为世界上风电装机规模最大的国家。但风电装备的国产化率目前不足90％，某些设备还需要进口，如电子设备方面的测风仪等。测风仪不仅用于风电，还是气象、野外勘探等领域的必备设备。从测风仪原理看，风速测量一般采用旋转计数式，超声波式等，风向测量一般采用光电传感式，从精度看，上述方式普遍测量精度较低，结构复杂，安装不方便，数字化程度低，不适应现在飞速发展的智能社会的需要。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本公开提供了一种陀螺仪测风装置及风力、风向的测量方法。该装置灵敏度高、精度高、结构简单、安装使用方便，数字化程度高，是一种高端测风装置。

本公开至少一实施例提出了一种陀螺仪测风装置，该装置包括水平放置的球状体、竖直放置的弹性支撑杆以及用于测量风向和风力的测量器；

所述球状体设置在弹性支撑杆的顶部，且与弹性支撑杆相连接，所述球状体内设有激光陀螺模块，激光陀螺模块的测量参数为笛卡尔坐标系坐标，所述激光陀螺模块与测量器相连接。

进一步地，所述球状体为空心结构，所述激光陀螺模块设置在球体的底部中心位置。

进一步地，球状体底部还设有贯通孔，用于球体内外连接导线并通气，激光陀螺模块通过连接导线与外部的测量器相连接。

进一步地，所述测量器内设有用于计算风向和风力的处理器，所述处理器与设置在测量器上的显示屏相连接用于显示输出的风向值和风力值，所述测量器内还设有GPRS模块。

本公开至少一实施例还提出了基于上述任一项所述一种陀螺仪测风装置的风向测量方法，该方法包括如下过程：

将激光陀螺模块的笛卡尔坐标系参数中X轴方向设置为地球磁场方向的北极，同时以所述X轴为起点按照逆时针方向旋转，每90度代表一个象限，分别为第一、二、三、四象限；其中第一象限代表西北方向；X和Y坐标均为﹢；第二象限代表西南方向；X为﹣Y为﹢；第三象限代表东南方向；X和Y均为﹣；第四象限代表东北方向；X为﹢Y为﹣；

将激光陀螺模块的状态置为静止状态，模拟零风速工况，激光陀螺模块X、Y、Z方向输出坐标作为基准，完成零点校准；对风向进行测量时，根据陀螺仪输出的X轴以及Y轴的矢量坐标确定风向。

进一步地，根据陀螺仪输出的X轴以及Y轴的矢量坐标确定风力方向相对于北极N的夹角。

本公开至少一实施例还提出了基于上述任一项所述一种陀螺测风装置的风力测量方法，该方法包括如下过程：

将陀螺仪的中的Z方向的坐标变化代表球状体的倾斜程度，求得球状体的水平倾角δ与空间坐标Z变化的关系；

通过实验模拟风力的大小与水平倾角δ的关系；

根据陀螺仪输出的Z轴坐标确定风力的大小；

其中δ为陀螺仪与水平面的水平倾角。

进一步地，将倾角δ作为因变量函数，风力x作为自变量，确定风力的大小x与倾角δ的函数关系，在测量时通过通过倾角的反函数关系确定风力的大小。

本公开的有益效果如下：

(1)、本公开通过在球状体内设置激光陀螺模块，球状体通过与弹性支撑杆连接，这样可以通过球状体的摆动可以实现对风向和风力测量继而将风向和风力值通过外部的处理器进行计算并显示出来，该装置灵敏度高、精度高、结构简单、安装使用方便，数字化程度高，是一种高端测风装置。

(2)、本公开的风向及风力测量方法，通过内部的激光陀螺模块中的笛卡尔坐标系参数可以实现对风向的测量，精度高，同时利用盘状体的外部相关尺寸计算风力的大小，计算简单，且不受其它因素影响。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例提供的一种陀螺测风装置的整体结构图；

图2为本公开实施例提供的装置中的主控模块的组成图。

图中：1、承风球，2、弹性支撑杆，3、出线和通风孔，4、激光陀螺模块，5、主控模块。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

如图1所示，本公开实施例提供了一种陀螺测风装置，该装置主要包括激光陀螺模块4、承风球1、弹性支撑杆2。

所述承风球内部空心，激光陀螺模块4正好设置在承风球内的底部中心位置。所述激光陀螺模块4水平放置，主要是用来实施测量X、Y、Z三个坐标位置，并且所述激光陀螺模块上设有数字通信接口输出。

进一步地，所述承风球水平安装，且设置在竖直放置在弹性支撑杆2上，所述承风球底部设有出线和通风孔3，可通过陀螺仪所用的电源和信号线，并有一定的通风间隙，所述激光陀螺模块通过电源和信号线与外部主控模块相连接。

如图2所示，本实施例中的主控模块包括微处理器MCU、LED显示器、模拟输出接口芯片以及GPRS模块，其中微处理器MCU用来通过激光陀螺模块检测的信息对风速和风力进行计算，然后将计算的值从LED显示器中显示出来，通过主控模块中的GPRS模块可以知道该检测装置的实时位置。

下面详细说明一下基于上述陀螺测风装置的测量风向和风力的方法：

对于风向的测量主要分布三步：

1)坐标定向

激光陀螺仪内部的X-Y坐标为迪卡尔坐标，将X轴代表地球磁场方向的北极，将该坐标系分为四个象限，同时X轴为起点按照逆时针方向分别为第一、二、三以及四象限，矢量角度为0～360°。其中矢量位于第一象限时矢量角0～90°,代表西北方向，X和Y坐标均为﹢；矢量于第二象限时矢量角为90～180°，代表西南方向，X为﹣Y为﹢；矢量位于第三象限时矢量角为180～270°，代表东南方向，X和Y均为﹣；矢量位于第四象限时矢量角为270～360°代表东北方向，X为﹢Y为﹣。

(2)、校准

测量装置安装完成后，将内部陀螺仪的状态置为静止状态，模拟零风速工况，内部陀螺仪X、Y、Z的输出坐标(X0,Y0,Z0)作为基准，完成零点校准，陀螺仪理想坐标为(0,0,0)。

(3)、风向测量

开始测量，当有风时，装置中的承风球随风而动，内置的陀螺仪给出的三维坐标(X1,Y1,Z1)中的X1、Y1分别作为X—Y坐标系中的X方向和Y方向的矢量坐标，即代表了风向，所以通过根据X方向和Y方向的矢量坐标判断的风力的方向。然后需要知道风力与地球N极方向的夹角为α，则可通过方向角α与X1、Y1的关系来判断，关系式如下：

X1＝sin(α)，α＝sin^-1(X1)

Y1＝cos(α),α＝cos^-1(Y1)

对于风力的测量主要分布三步：

(1)、计算倾角δ

将装置中陀螺仪内的X-Y-Z坐标中的空间坐标Z的变化代表了承风球平面的倾斜程度，倾角δ与所述承风球的平面尺寸、弹性支撑杆活动半径直接相关，在承风球平面尺寸和弹性支撑杆活动半径一定的情况下，倾角δ与空间坐标z的变化的关系符合：

δ＝k·Z

其中，k为常数系数。

(2)、倾角δ与风力x关系曲线的确定

倾角δ的大小是风力和陀螺仪的反作用力平衡的结果，若果将倾角δ作为因变量函数，风力x作为自变量，则风力的大小x与倾角δ必定符合如下函数关系：

δ＝f(x)

其关系曲线可通过实验模拟标定。

(3)、根据倾角δ确定风力x

如倾角δ与风力x的关系为δ＝f(x)，

则风力大小x为:

x＝f^-1(δ)

其中，f^-1(δ)为f(x)的反函数，可计算确定。在已知δ＝f(x)的关系曲线的情况下，风力x的大小也可通过δ＝f(x)的实验曲线查询确定，该计算过程都是在微处理器MCU内完成，同时将计算得出的风力大小传输给装置中的LED显示器进行显示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本公开的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本公开进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本公开的权利要求范围当中。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种陀螺仪测风装置，其特征在于，包括水平放置的球状体、竖直放置的支撑杆以及用于测量风向和风力的测量器；

所述球状体设置在支撑杆的顶部，且与弹性支撑杆相连接，所述球状体内设有激光陀螺模块，激光陀螺模块的测量参数为笛卡尔坐标系坐标，所述激光陀螺模块与测量器相连接；

所述球状体为空心结构，分为上下两部分，所述激光陀螺模块设置在球体的底部中心位置；

球状体底部还设有贯通孔用于球体内外连接导线并通气，激光陀螺模块通过连接导线与外部的测量器相连接；

所述测量器内设有用于计算风向和风力的处理器，所述处理器与设置在测量器上的显示屏相连接用于显示输出的风向值和风力值，所述测量器内还设有GPRS模块；

陀螺测风装置的风力测量方法包括如下过程：

将激光陀螺模块中的Z方向的坐标变化代表该装置中球状体的倾斜程度，求得球状体的水平倾角δ与空间坐标Z变化的关系，通过球状体的尺寸、弹性支撑杆的活动半径求得盘状体的水平倾角δ，倾角δ与空间坐标Z的关系符合：δ＝k·Z其中，其中k为常数系数；

通过实验模拟风力的大小与水平倾角δ的关系；

根据陀螺仪输出的Z轴坐标确定风力的大小，将倾角δ作为因变量函数，风力x作为自变量，确定风力的大小x与倾角δ的函数关系，在测量时通过倾角的反函数关系确定风力的大小；

其中δ为陀螺仪与水平面的水平倾角。

2.基于权利要求1所述陀螺仪测风装置的风向测量方法，其特征在于，包括如下过程：

将激光陀螺模块内的笛卡尔坐标系参数中X轴方向设置为地球磁场方向的北极，同时以所述X轴为起点按照逆时针方向旋转，每90度代表一个象限，分别为第一、二、三、四象限；其中第一象限代表西北方向；X和Y坐标均为﹢；第二象限代表西南方向；X为﹣Y为﹢；第三象限代表东南方向；X和Y均为﹣；第四象限代表东北方向；X为﹢Y为﹣；

将激光陀螺模块的状态置为静止状态，模拟零风速工况，激光陀螺模块内的X、Y、Z方向输出坐标作为基准，完成零点校准；对风向进行测量时，根据激光陀螺模块输出的X轴以及Y轴的矢量坐标确定风向。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，根据激光陀螺模块输出的X轴以及Y轴的矢量坐标确定风力方向相对于北极N的夹角。