CN208937607U - 一种无人船风速测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种无人船风速测量装置。包括：风速传感器、STM32微控制器、电压转换模块、串行通信模块以及系统电源模块；所述风速传感器PWM输出端与电压转换模块输入端连接，电压转换模块输出端与STM32微控制器主板连接、所述STM32微控制器主板与上位机通过串行通信模块连接。本实用新型的技术方案解决了现有风速测量仪无法满足对无人船艇同时具备精准测量、信息处理和自主决策的更高要求，现有的风速测量系统功能只局限于信息采集而无法进行进一步的分析工作，且测量精度受风速传感器限制，只能通过更换更精密的传感器提高风速测量精度的问题。

Description

一种无人船风速测量装置

技术领域

本实用新型涉及无人船的风速测量技术领域，具体而言，尤其涉及一种无人船风速测量装置。

背景技术

水面无人船艇所采用的传统风速测量方式是：设置风车式或风杯式传感装置，将其接上恒定电压供电，当有风吹过时会带动风车或风杯传感器转动，从而产生一个脉宽固定、脉宽变化的PWM波，将此波形作为输入传送到与上位机相连的单片机中处理计算，达到测量风速并在上位机显示的目的。其中的PWM波信号捕获通常采用ARM9微控制器，这种嵌入式处理器外设不够丰富，不利于后期开发和功能升级，现有风速测量仪已经无法满足对无人船艇同时具备精准测量、信息处理和自主决策的更高要求。

目前，随着水面无人艇的快速发展，已经有很多自动化水平较高的船只。但是，要想在危险、复杂而又广阔的大海上应对一切突发状况又能平稳航行，无人船必须具备准确感知外界信息并作出相应正确决策的能力。由于无人船艇往往体积小、重量轻，因此航行过程中风、浪、流等干扰对船艇位姿和各向速度的影响较大，尤其大风天气对无人船艇航行安全的影响重大，因此风速和风向的研究不容忽视。鉴于无人船上的特殊情况，对于风速风向测量装置的体积及可靠性要求较高，需要根据当前的风速、风向、浪涌力等实时计算所需的控制力矩，输出控制向量，从而使船舶在指定航路上行驶。也就是说目前对于无人船艇的要求不单是感知风速和风向并显示，而是在精准测量的基础上对信息进行处理并作出反应和决策。现有的风速测量系统功能只局限于信息采集而无法进行进一步的分析工作，且测量精度受风速传感器限制，只能通过更换更精密的传感器提高风速测量精度。

发明内容

根据上述提出现有风速测量仪无法满足对无人船艇同时具备精准测量、信息处理和自主决策的更高要求，现有的风速测量系统功能只局限于信息采集而无法进行进一步的分析工作，且测量精度受风速传感器限制，只能通过更换更精密的传感器提高风速测量精度的技术问题，而提供一种无人船风速测量装置。本实用新型主要利用外设丰富的STM32对采集到的反映风速大小的PWM信号进行处理，增强了系统的功能性，为后期系统升级提供了可能；本实用新型还使用最小二乘法对采集到的风速信息进行处理，使系统精度受传感器的影响较现有的风速测量系统小。

本实用新型采用的技术手段如下：

一种无人船风速测量装置，其特征在于，包括：风速传感器、STM32微控制器、电压转换模块、串行通信模块以及系统电源模块；所述风速传感器PWM输出端与电压转换模块输入端连接，电压转换模块输出端与STM32微控制器主板连接、所述STM32微控制器主板与上位机通过串行通信模块连接。

进一步地，所述电压转换模块采用将风速传感器输出的5V电压降压为3.3V的LM2596S。

进一步地，所述STM32微控制器由系统电源模块供电，所述风速传感器由STM32微控制器的5V电压输出直接供电。

进一步地，所述装置还设置有上位机监控界面。

进一步地，所述装置还设置有用于实现存储容量扩展，保存实验数据的SD卡存储模块。

进一步地，所述装置还设置有用于实现人机交互的TFT液晶模块。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本实用新型使用风杯式风速传感器作为受风器件，其测量精度较好、体积小、功耗低、耐腐能力强，能够适应无人船艇这个特殊工作环境，可以搭载于无人船艇上实现高精度的风速测量，为研究风速对无人船艇运动状态的影响提供了硬件设备支持。

2、本实用新型使用STM32微控制器作为信息处理元单元，其具有强大的控制、处理能力以及丰富的外设，信号采集速度快，信号处理能力强，还能够实现各种功能的扩展，能够实现对风速测量的实时性要求，并能够对风速测量值进行在线处理并反馈给无人船艇控制单元，为研究风速对无人船艇运动状态的影响提供了软件程序支持。

3、本实用新型采用的STM32微控制器由无人船艇电源模块供电，风速传感器使用STM32微控制器上的5V电压输出供电，无需额外的电源供电，使得系统体积更小，质量更轻。

综上，应用本实用新型的技术方案主要利用外设丰富的STM32微控制器对采集到的反映风速大小的PWM信号进行处理，增强了系统的功能性，为后期系统升级提供了可能；本实用新型还使用最小二乘法对采集到的风速信息进行处理，使系统精度受传感器的影响较现有的风速测量系统小。因此，本实用新型的技术方案解决了现有技术中的无法满足对无人船艇同时具备精准测量、信息处理和自主决策的更高要求，现有的风速测量系统功能只局限于信息采集而无法进行进一步的分析工作，且测量精度受风速传感器限制，只能通过更换更精密的传感器提高风速测量精度的问题。

基于上述理由本实用新型可在无人船的风速测量等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型装置框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本实用新型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一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种无人船风速测量装置，包括：风速传感器、STM32微控制器、电压转换模块、串行通信模块以及系统电源模块；所述风速传感器PWM输出端与电压转换模块输入端连接，电压转换模块输出端与STM32微控制器主板连接、所述STM32微控制器主板与上位机通过串行通信模块连接。其中STM32微控制器主板通过直接线连的方式接收经过电压转换模块降压的PWM脉冲信号，进而得到脉宽，计算风速值。配置好串口通信模块以进行系统调试，并通过串口调试助手在电脑上显示实时风速值并保存下来，为后期的进行误差分析和风速校正做准备。本测量系统采用了风杯式风速传感器。当稳定风流推动风杯转动时，带动同轴磁棒转动，通过由光电管和旋转码盘构成的光电转换电路得到与风杯转速成正比的脉冲信号。经过电压转换模块将脉冲信号的幅值进行降压处理，由STM32微处理器内嵌的16位自动装载定时器在一定时间内对该脉冲信号进行计数，计算脉冲信号的频率，最后经换算得到计算风速值。然后使用串口通信模块在上位机显示实时风速值并保存下来。其中，风速传感器可以根据具体的测量精度需要，自行选择更高精度的仪器进行更换。另外，风速测量系统中的STM32微处理器由无人船艇电源模块供电，风速传感器由STM32微控制器的5V电压输出直接供电，不另外设置独立电源，有效地减轻了无人船艇的负重。由于STM32微控制器可接收的PWM波幅值限制为3.3V，因此设置LM2596S为系统的电压转换模块，将风杯式风速传感器输出的5V电压降压为3.3V，已达到保护电路正常工作的目的。风速传感器发出的微弱PWM波采用软件捕获处理的方式以转换为脉宽信号，进而计算出实时风速，并在上位机进行显示和保存。

本实用新型设计的无人船艇风速测量装置具有简单实用、应用广泛的特点。由于使用的是STM32微控制器，因此系统可以很容易地实现存储容量扩展，选择SD卡存储模块即可保存大量实验数据；还可以使用TFT液晶模块进行人机交互，实现数据的实时显示，能够更好地观测风速的变化情况。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本实用新型的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (6)

1.一种无人船风速测量装置，其特征在于，包括：风速传感器、STM32微控制器、电压转换模块、串行通信模块以及系统电源模块；所述风速传感器PWM输出端与电压转换模块输入端连接，电压转换模块输出端与STM32微控制器主板连接、所述STM32微控制器主板与上位机通过串行通信模块连接。

2.根据权利要求1所述的无人船风速测量装置，其特征在于，所述电压转换模块采用将风速传感器输出的5V电压降压为3.3V的LM2596S。

3.根据权利要求1所述的无人船风速测量装置，其特征在于，所述STM32微控制器由系统电源模块供电，所述风速传感器由STM32微控制器的5V电压输出直接供电。

4.根据权利要求1所述的无人船风速测量装置，其特征在于，所述装置还设置有上位机监控界面。

5.根据权利要求1所述的无人船风速测量装置，其特征在于，所述装置还设置有用于实现存储容量扩展，保存实验数据的SD卡存储模块。

6.根据权利要求1所述的无人船风速测量装置，其特征在于，所述装置还设置有用于实现人机交互的TFT液晶模块。