无人机搭载超声波仪器测量风场的校正算法研究

利用多旋翼无人机搭载超声波仪器测量风速、风向具有成本低、方便灵活、可大区域连续测量的优势,但无人机飞行时产生的倾角会使测风仪的测量结果仅为真实风沿其平面的一个分量,导致误差较大。针对这一问题,设计了一种基于无人机倾角对超声波风速仪测量结果进行校正的测风算法,包括无人机悬停与前进两种状态下的校正。利用四元数和姿态矩阵之间的关系得到无人机的3个欧拉角,进而得到无人机的倾角,通过倾角的大小来对超声波风速风向仪的测量结果进行校正。通过多次试飞实验,将校正后风速和风向在相对高度上的平均值与气象站的对应观测数据进行比较,误差控制在很小的范围内,结果相对准确,表明此算法可以实现对低空风场的实时监测。     

基于FPGA的超声波传感器前端电路设计

超声波传感器广泛应用于风速、风向的测量,前端电路的设计直接关乎系统性能的好坏.为达到稳定的驱动效果,驱动电路采用了低压驱动方式.为能接收稳定、准确的超声波信号,设计了接收及信号处理电路,进行接收抗干扰限幅处理、前置放大、带通滤波、自动增益控制放大和电压比较,将所接收的超声波交变电压信号转换成可供FPGA 直接使用的数字信号.实验结果验证,各个电路模块的设计均满足系统要求.     

基于移动平台的三维风速风向动态测量系统

由于风速风向对帆船等移动平台的影响,需要实现对风速风向的动态测量,因此设计了一款基于时差法的正四面体非正交结构超声波阵列的动态测量系统。该系统通过测量超声波在顺风和逆风下传播的速度不同,结合测量装置的结构解析,得到风速风向和俯仰角,利用磁力计补偿方位信息数据和中值滤波算法,解决了在移动平台上实时动态采集风速风向和俯仰角的问题。经实际测试,系统风速测量误差在±1 m/s以内,风向测量偏差不超过0.8°,俯仰角测量偏差不超过1°,达到预期设计要求。     

基于时差法超声波风速风向传感器误差的分析

在气象服务和风力发电中,基于时差法的超声波风速风向传感器应用极其广泛.本文介绍了超声风速风向传感器的工作原理,分析了其测量误差的主要来源.在超声波传感器设计中,空中飞行时间误差对系统有着重要影响,根据飞行时间的测量方法,提出了误差修正的方法.同时分析了环境等因素对超声风速风向传感器的影响,并得出了相关结论.     

超声波检测风速风向的三种方法

随着科技的发展,超声波测量风速风向逐渐替代原始的三杯式测量。本文介绍了三种超声波测量风速风向的方法。它们都可以测量平面内任意方向的风速风向,但是其精确度略有不同。     

基于DSP的超声波式风速风向检测仪的设计

超声波测风技术具有非接触、精度高、测量范围广以及安装方便等优点,适用于煤矿井下风道检测、工业危险气体检测等。基于超声波时差原理,设计了一种基于DSP的芯片的超声波式风速风向检测仪。对顺流、逆流超声波信号采用相关函数法及频域变换处理方法,消除环境白噪声的影响,提高了时间差的测量精度和处理器运算速度。对环境温度造成的误差进行修正,实现风速测量范围0~25 m,误差小于0.2 m/s,并实现巷道中正反两向风向测量。通过大量实验和测试,该风速风向检测仪具有较高的精度和稳定度。     

具有语音播报功能的超声波液位测量系统设计

超声波测距相比于其它测距方法,具有非接触、高精度、价格低、使用方便等优越性。针对实际应用的需要,设计了一种以单片机为主控芯片的具有语音实时播报和无线收发功能的超声波液位计系统。首先介绍了超声波测距原理,然后设计了系统硬件、系统方案及各个电路模块,包括发射电路、接收电路、语音播报电路、无线收发电路等,其次设计了系统软件程序。最后进行了系统测试。测试结果表明在加入温度补偿后测量精度可以达到0.8%,语音播报和无线收发稳定。     

基于DSP的超声风速测量

设计了高速A/D转换电路采集超声波接收信号,并利用DSP进行无延迟的滤波处理.通过接收波形与其反向波形的拟合及其方差分析和假设检验来确定接收波形的起始时间,并利用插值处理进一步提高了时间测量精度.通过超声波在三坐标轴来回的传播时间与空气流速间的关系,求算出三维风速与风向.结果表明,测量可靠性及精度得到提高,电路设计也得到简化.     

基于WirelessHART的风速仪的设计

为了方便在某些特殊环境下进行风速的测量,设计了一种基于Wireless HART协议的叶轮式风速仪。其利用反射式光电传感器进行风速测量,同时采用超低功耗的MSP430F149作为主控芯片,重点设计了硬件上的Wireless HART模块、数据采集模块以及软件主函数功能。仪表通过无线HART网关同主机实现了通信,已应用于风洞实验中的局部风速测量。     

基于Zigbee的货车水箱液位测量装置

本文设计开发了一种采用超声波测位原理,并基于Zigbee技术进行液位数据无线传输的货车水箱液位测量装置。设计阶段超声波传感器端采用了超声波测距声速补偿和时间修正法以提高数据精确性。最后设计了Zigbee无线收发模块和超声波传感器硬件电路模块,并进行了软件代码的开发。该装置具有结构简单、精度高、成本低、安装快捷、使用方便等优点。     

基于单片机的数显风速仪设计

风是日常生活中经常遇到的现象,随着人类科技知识的不断发展,对风力资源的利用也越来越广泛,怎样测量风的速度和风力等级就成为一个重要的课题。该设计在介绍AT89C2051单片机的性能和特点基础上,结合光电传感器测量脉冲个数,利用liyongLCD显示来实现测量风速的功能。其中硬件电路由电源模块、风叶转动输出脉冲电路、AT89C2051单片机控制电路组成;并编写了软件控制程序;利用Proteus软件对该设计软硬件进行了仿真。     

Two-dimensional ultrasonic anemometer using the directivity angle of an ultrasonic sensor

There has been continuous research on the ultrasonic sensors [L.C. Lynnworth, Y. Liu, Ultasonic flowmeters: half-century progress report 1955–2005, Ultrasonics (2006) 1371–1378]. This study used the directivity characteristic based on phase measurement, which ultrasonic sensor has. Transmitter has wide directivity, and in its range of directivity, receivers are located to measure wind direction and velocity. The velocity experiments which are the result of this production system indicate that the system error rate is 2%. The wind direction measurements also give the same result, an error of ±3°. This result is similar to existing anemometers. However, this new anemometer could possibly have a much higher sampling rate, operating circuit and system structure, which could be much simpler than the previous anemometer.     

基于单片机的大气参数多路采集系统的设计

介绍了一种基于单片机的大气参数多路采集系统的设计方法.在高精度超声测风系统上增加一个采集模块,通过RS-485由计算机完成各测量点温度、湿度、风速、风向和大气折射率常数C2n的控制采集和数据传输.     

用于风力发电机偏航控制的激光测风系统设计与试验

为实现风力发电机迎风信息的精确测量,采用连续波相干探测技术,设计了针对风力发电机偏航控制需求的激光测风系统。该系统的扫描装置中由直驱电机带动15°顶角楔形镜旋转实现激光对大气的圆锥扫描,设置扫描一圈用时为15 s,每圈采样点数为30个,利用正弦拟合方法反演风力发电机前方的风场信息。将激光测风系统安装在深圳市气象观测梯度塔下,与塔上超声波风速仪进行了对比测风试验。经过数据分析,水平风速相关系数达0.98,标准差为0.22 m/s,风向相关系数达0.97,标准差为3.04°,表明所设计的激光测风系统性能优良,工作稳定可靠,能够为风力发电机提供精确风场参数,提高风能的利用效率。     

相干多普勒激光测风雷达系统研究及验证

介绍了相干多普勒激光测风雷达国内外现状,阐述了其基本原理,给出了风速矢量反演计算过程,并对相干多普勒激光测风雷达系统方案进行了分析,利用标校塔以及超声波测风仪等设备进行了风场测量验证实验,获得了80~600m处的风场信息,验证了测风系统的设计指标。     

空投式气象测量系统

海拔3000 m范围内,垂直间隔10 m各层次的水平面风速风向是关系到空降空投准确性的关键参数。空投式气象测量系统由3～10个测量节点和1个中继节点组成,所有节点空投至空降场上空。利用二维超声波风速风向测量仪和三维电子罗盘,提出了伞降过程中水平面风速风向测量方法,给出伞降测量节点和中继节点的设计方案,采用星型网络拓扑结构无线连接测量节点和中继节点,引入载波侦听多点接入/冲突避免协议,避免多个测量节点与中继节点通信时可能发生的冲突。基于嵌入式开发平台,搭建原理样机。采用NS2仿真软件对MAC层通信协议进行了仿真,物理和仿真实验结果表明,空投式气象测量系统能自动组网并探测空降场上各个水平面的气象参数。     

基于超声测速技术的数字大气环境因素测量仪

传统的机械式风速测量仪受到诸多因素的影响和限制,已无法满足现今测量领域的指标。而使用超声波作为测量手段可以有效地提高测量精度、减少测量误差、降低功耗。系统采用MSP430作为处理核心,利用超声波的特性,使用超声波传感器,实现对空气中风速的测量,并利用无线通信ZigBee技术实现通信交互。通过分析得出文中装置测量精准、出...     

高光学效率相干多普勒激光雷达的测风性能分析与测试

近期研发了一套高光学效率全光纤化相干激光雷达设备,可用于风场的实时探测。该相干激光雷达工作于1.55 m波段,望远镜直径50 mm,时间分辨率和距离分辨率分别是1 s和30 m。系统集成了光纤结构的接收单元、可编程扫描模式的两轴扫描头及一个用于实时信号处理的多核数字信号处理器。对系统的测风性能进行了理论分析并同实验结果进行了对比,验证了系统测量距离达到5 km。之后,通过将激光雷达与超声波风速仪数据进行对比验证系统的测量精度。经过数据分析水平风速相关系数达0.980,标准差为0.235 m/s,风向数据相关系数达0.993,标准差为3.105。表明该相干激光雷达具有优良的性能,可以应用于大气边界层内的风场探测。     

连续相干探测激光风速仪设计与测试

为实现近距离风场的精确实时观测,基于连续相干探测技术,选取人眼安全的1.55 m为工作波长,设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性,望远镜采用同轴透射式结构,有效口径为70 mm,测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号,并设计了谱质心算法估计径向风速,提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明,所设计激光风速仪输出信号稳定,时间分辨率为1 s,风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验,两设备测得风速数据相关系数为0.997,标准差为0.090 m/s,最大相差0.480 m/s。