CN112730889B - 一种新型风向测定系统 - Google Patents

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    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G01P13/025—Indicating direction only, e.g. by weather vane indicating air data, i.e. flight variables of an aircraft, e.g. angle of attack, side slip, shear, yaw

Abstract

本发明公开了一种新型风向测定系统，包括远程监控装置以及与远程监控装置无线连接的风向检测装置，风向检测装置包括底座，活动安装在底座中心的转轴，以及固定在转轴上的风向标；风向标的头部内还安装有用于引起地磁场变化的永磁铁以及位于永磁铁正下方的倾角传感器；底座内并位于转轴的正下方还固定安装三轴地磁传感器，还包括与三轴地磁传感器电连接的第一MCU处理器；本发明的风向测定系统，通过风向标头部的永磁铁切割磁感线，利用地磁感线感应XYZ轴三个方向上磁场强度的变化值，以此计算地理北极与永磁铁之间的夹角，此夹角即为风向角，利用本发明的测定系统使测得的风向角相比传统的风向标测量更加精确。

Description

一种新型风向测定系统
技术领域
本发明涉及一种新型风向测定系统。
背景技术
现有的传统风向标的测量风向方式主要有光电式或电磁式。
光电式风向测量采用多个红外发射及接收管构成，通过光电遮挡方法形成的多位二进制编码，再通过MCU换算成方位。
电磁式风向测量是采用磁铁与干簧管构成的，当风向转动时，磁铁会使1个或2个方向上的干簧管吸合，再通过MCU检测，换算成方位。
上述2种方式通常只能检测8-16个方位。且生产安装测试较为麻烦。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题中的技术问题之一。为此本发明的目的是为了提供一个新型风向测定系统。
一种新型风向测定系统，包括远程监控装置以及与远程监控装置无线连接的风向检测装置，风向检测装置包括底座，活动安装在底座中心的转轴，以及固定在转轴上的风向标；
作为优选方案，风向标的头部内还安装有用于引起地磁场变化的永磁铁以及位于永磁铁正下方的倾角传感器；倾角传感器用于检测风向标的姿态；底座内并位于转轴的正下方还固定安装有用于测量永磁铁的XYZ三轴的磁场强度变化矢量的三轴地磁传感器，还包括与三轴地磁传感器电连接的第一MCU处理器；第一MCU处理器用于计算永磁铁和地理北极之间的偏转角。
作为优选方案，还包括与三轴地磁传感器电连接的第一MCU处理器，与第一MCU处理器电连接的第一无线通讯模块，以及与第一MCU处理器电连接的供电电源。
作为优选方案，远程监控装置包括第二MCU处理器，与第二MCU处理器电连接的显示单元、控制单元、晶体振荡器以及第二无线通讯模块。
作为优选方案，转轴与底座之间通过滚珠轴承连接。
本发明的有益效果：
本发明的风向测定系统，通过风向标头部的永磁铁切割磁感线，利用地磁感线感应XYZ轴三个方向上磁场强度的变化值，以此计算地理北极与永磁铁之间的夹角，此夹角即为风向角，本发明还通过倾角传感器检测风向标在与水平面的俯仰角和侧倾角，通过倾角补偿误差值，利用本发明的测定系统使测得的风向角相比传统的风向标测量更加精确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
附图1是本发明的一种新型风向测定系统的结构框图；
附图2是本发明的风向角的示意图。
图中所示：
1、远程监控装置；2、风向检测装置；11、第二MCU处理器；12、显示单元；13、控制单元；14、晶体振荡器；15、第二无线通讯模块；21、底座；22、转轴；23、风向标；24、永磁铁；25、倾角传感器；26、三轴地磁传感器；27、第一MCU处理器；28、第一无线通讯模块；29、供电电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、内、外，中心……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1：
如图1～图2所示的一种新型风向测定系统，包括远程监控装置1以及与远程监控装置1无线连接的风向检测装置2，风向检测装置2包括底座21，活动安装在底座21中心的转轴22，以及固定在转轴22上的风向标23；
为了减少转轴的滑动摩擦影响最后风向检测数据的精确性，在转轴22与底座21之间通过滚珠轴承连接。
优选地，风向标23的头部内还安装有用于引起地磁场变化的永磁铁4以及位于永磁铁24正下方的倾角传感器25；倾角传感器25用于检测风向标的姿态；底座21内并位于转轴的正下方还固定安装有用于测量永磁铁的XYZ三轴的磁场强度变化矢量的三轴地磁传感器26，还包括与三轴地磁传感器26电连接的第一MCU处理器27；
需要说明的是，在风向标23被风吹动后，风向标23绕着转轴22旋转，直至与风向平行，由于风的方向可能与风向标23不平行，所以风向标23在停留在某一个点时，前后方向会产生俯仰偏角；左右方向上会产生一个侧倾偏角；所以通过在风向标23的头部内设置倾角传感器25，可用于测量风向标23产生的俯仰偏角和侧倾偏角，由于永磁铁24能引起地磁场的变化，通过此方法三轴地磁传感器26就可检测出永磁铁24的磁场强度变化，三轴地磁传感器26在风向标稳定在某一个点时，检测永磁铁24在X轴、Y轴、Z轴方向的磁场变化矢量，第一MCU处理器27根据倾角传感器检测的俯仰偏角和侧倾偏角以及X轴、Y轴和Z轴的磁场强度矢量对永磁铁24的位置进行误差补偿，具体的计算公式如下：
X水平＝Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα
Y水平＝Xcosβ+Zsinβ
上式中，X水平,Y水平代表X，Y方向解算的水平位置的磁场强度值，α代表俯仰偏角，β代表侧倾偏角；X,Y,Z代表在X，Y，Z轴方向上三轴地磁传感器测得的磁场变化强度的矢量值。
为了保证计算的倾斜角为地理北极与风向标之间的夹角，由公知常识可知，地理北极与地磁南极的夹角为11.5度，三轴地磁传感器26在安装时，通过电子指南针检测地磁南极方向，然后再偏转11.5度，指向的方向即为地理北极，将此方向记为0度，将三轴地磁传感器27的Y轴方向的传感器正对着上述0度方向安装，当风吹过风向标时，第一MCU处理器27根据在水平位置的磁场强度值，通过以下公式计算偏转角风向角。
A风向＝90°-arctan(Y水平/X水平)
在上式中，A风向代表风向角。
优选地，风向检测装置2还包括与第一MCU处理器27电连接的第一无线通讯模块28，以及与第一MCU处理器27电连接的供电电源29；远程监控装置1包括第二MCU处理器11，与第二MCU处理器11电连接的显示单元12、控制单元13、晶体振荡器14以及第二无线通讯模块15；显示单元12可以是显示屏，控制单元13可以是触控屏或者是按键操控模组，晶体振荡器14用于给远程监控装置提供频率高度稳定的交流信号。
优选地，第一无线通讯模块28和第二无线通讯模块15可以采用蓝牙、Zigbee、4G的一种；通过上述通讯模块，建立风向检测装置与远程监控装置的无线连接。
进一步优选地，本实施例中的远程监控装置1也可以是智能移动终端，例如手机、平板或者其他智能设备；第一MCU处理器27解算的风向角通过第一无线通讯模块28发送到远程监控装置1上，并通过显示单元12进行显示；进一步优选地，还可以在转轴22的下端安装电机和自锁机构，在不需要实用风向检测装置2时，可以通过控制单元13远程控制电机打开，带动风向标23回归到0度方向，通过自锁机构自锁后关闭电机；需要说明的是电机在风向标测量风向时不会工作，且安装时不会对风向标产生滑动摩擦，影响测量的精度。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种新型风向测定系统，其特征在于：包括远程监控装置以及与所述远程监控装置无线连接的风向检测装置，所述风向检测装置包括底座，活动安装在所述底座中心的转轴，以及固定在所述转轴上的风向标；
其中，所述风向标的头部内还安装有用于引起地磁场变化的永磁铁以及位于所述永磁铁正下方的倾角传感器；所述倾角传感器用于检测风向标的姿态；所述底座内并位于所述转轴的正下方还固定安装有用于测量所述永磁铁的XYZ三轴的磁场强度变化矢量的三轴地磁传感器，还包括与所述三轴地磁传感器电连接的第一MCU处理器；所述第一MCU处理器用于计算永磁铁和地理北极之间的偏转角；
其中，第一MCU处理器根据倾角传感器检测的俯仰偏角和侧倾偏角以及X轴、Y轴和Z轴的磁场强度矢量对永磁铁的位置进行误差补偿，具体的计算公式如下：
X水平＝Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα
Y水平＝Xcosβ+Zsinβ
上式中，X水平，Y水平代表X，Y方向计算的水平位置的磁场强度值，α代表俯仰偏角，β代表侧倾偏角；X，Y，Z代表在X，Y，Z轴方向上三轴地磁传感器测得的磁场变化强度的矢量值；
第一MCU处理器根据在水平位置的磁场强度值，通过以下公式计算偏转角风向角；
A风向＝90°-arctan(Y水平/X水平)
在上式中，A风向代表风向角。
2.根据权利要求1所述的一种新型风向测定系统，其特征在于，还包括与所述第一MCU处理器电连接的第一无线通讯模块，以及与所述第一MCU处理器电连接的供电电源。
3.根据权利要求1所述的一种新型风向测定系统，其特征在于，所述远程监控装置包括第二MCU处理器，与所述第二MCU处理器电连接的显示单元、控制单元、晶体振荡器以及第二无线通讯模块。
4.根据权利要求1所述的一种新型风向测定系统，其特征在于，所述转轴与底座之间通过滚珠轴承连接。
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