專利名稱：移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀及測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)儀以及運(yùn)用超聲波結(jié)合速度、方向測(cè)定部件測(cè)量移動(dòng)式情況下風(fēng)速風(fēng)向的方法，該儀器是一種可適用于輪船、汽車或現(xiàn)場(chǎng)氣體監(jiān)測(cè)等移動(dòng)式或固定式情況下的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量?jī)x器。
背景技術(shù)：
目前現(xiàn)有的風(fēng)速風(fēng)向儀主要為固定式測(cè)風(fēng)儀；而在環(huán)境檢測(cè)、航海、工業(yè)風(fēng)道檢測(cè)以及危險(xiǎn)性氣體的測(cè)量和移動(dòng)式氣象站的建設(shè)等領(lǐng)域，由于檢測(cè)系統(tǒng)本身的方向及速度等都是時(shí)刻在移動(dòng)著，而傳統(tǒng)固定式測(cè)風(fēng)儀由于沒(méi)有對(duì)方向及速度等方面進(jìn)行測(cè)量和修正， 因此，固定式風(fēng)速風(fēng)向儀無(wú)法滿足輪船、汽車、風(fēng)電場(chǎng)等應(yīng)用環(huán)境中系統(tǒng)移動(dòng)式情況下的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量應(yīng)用；而且傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速儀由于存在密封問(wèn)題，使得在北方沙塵暴天氣中無(wú)法正常工作，在低溫環(huán)境下還會(huì)因結(jié)冰而將運(yùn)動(dòng)部件卡死等現(xiàn)象的發(fā)生；同時(shí)，機(jī)械式測(cè)風(fēng)儀由于存在機(jī)械磨損等缺點(diǎn)，降低了儀器的使用壽命；熱敏式風(fēng)速儀又因?yàn)槿菀资墉h(huán)境溫度變化的影響而不適宜測(cè)量稍高一點(diǎn)的風(fēng)速；近年來(lái)使用的超聲波測(cè)風(fēng)儀，由于使用 8/16位等低位單片機(jī)作為微處理器，使得系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理、通信、測(cè)量精度方面都會(huì)造成一定的限制和誤差；另外，由于超聲波傳感器陰影效應(yīng)的存在，平面內(nèi)測(cè)風(fēng)會(huì)造成大的測(cè)兩誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)儀，以及運(yùn)用速度、方向測(cè)定部件結(jié)合超聲波信號(hào)在移動(dòng)式情況下測(cè)量實(shí)際環(huán)境條件下風(fēng)速風(fēng)向的方法。該儀器通過(guò)相對(duì)固定的三對(duì)超聲波發(fā)射/接收傳感器測(cè)量隨空氣流動(dòng)的正反兩個(gè)不同方向發(fā)射的超聲波到達(dá)接收端的時(shí)間差，利用時(shí)差法計(jì)算出空氣流動(dòng)的速度，并利用儀器速度測(cè)量元件和方向測(cè)定部件對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而獲得三維空間上的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)以及代表實(shí)際環(huán)境條件下風(fēng)速風(fēng)向的平面內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，它包括超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元、移動(dòng)式系統(tǒng)載體的速度及方向測(cè)定單元，三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元包括基座、控制電路板、三個(gè)長(zhǎng)測(cè)量臂及三個(gè)短測(cè)量臂和六個(gè)超聲波發(fā)射/接收傳感器，六個(gè)測(cè)量臂分別與基座相連，各測(cè)量臂與基座相連的接點(diǎn)之間依次成60度夾角；相對(duì)成180度角的三對(duì)測(cè)量臂上各安裝一個(gè)超聲波發(fā)射/接收傳感器；系統(tǒng)載體的速度及方向測(cè)定單元包括速度傳感器和方向測(cè)定部件，并分別與控制電路板相連接；
本發(fā)明提供的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的控制電路板包括電源、微處理器及附屬電路、超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)接收電路，所述超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、接收電路連接微處理器的控制端和中斷端。
本發(fā)明提供的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀還包括安裝在控制電路板上的溫度傳感器，該溫度傳感器與微處理器相連，用于測(cè)量環(huán)境溫度，并將測(cè)量結(jié)果傳入微處理器。相應(yīng)的，在所述控制電路板上還設(shè)有低溫加熱電路，該低溫加熱電路與微處理器的控制端相連接。本發(fā)明提供的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀還包括液晶屏和按鍵，它們分別與微處理器的輸入和輸出電路相連。本發(fā)明提供的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)有與上位機(jī)通信的接口電路。本發(fā)明提供的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀的控制電路板安裝于基座內(nèi)。本發(fā)明還提供了一種運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向，并利用系統(tǒng)移動(dòng)式載體速度及方向測(cè)定單元對(duì)所測(cè)參數(shù)進(jìn)行修正，從而得出實(shí)際環(huán)境條件下的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)的方法。該移動(dòng)式情況下利用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的方法包括
利用三對(duì)超聲波發(fā)射/接收傳感器測(cè)量出三維空間里的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)； 利用系統(tǒng)移動(dòng)式載體速度測(cè)量單元測(cè)量出移動(dòng)式載體當(dāng)時(shí)的移動(dòng)速度； 利用系統(tǒng)移動(dòng)式載體方向測(cè)定單元測(cè)量出移動(dòng)式載體當(dāng)時(shí)的方向參數(shù)； 結(jié)合測(cè)量出的速度及方向參數(shù)，根據(jù)三維空間矢量加、減法，對(duì)超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元測(cè)量出的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)進(jìn)行移動(dòng)式情況的修正，從而得出實(shí)際環(huán)境條件下的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)。該方法具體為
用超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元中的第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/ 接收裝置分別測(cè)量接收到來(lái)自對(duì)方發(fā)送的超聲波信號(hào)的時(shí)間；
用第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第五超聲波發(fā)射/接收裝置分別測(cè)量接收到來(lái)自對(duì)方發(fā)送的超聲波信號(hào)的時(shí)間；
用第三超聲波發(fā)射/接收裝置和第六超聲波發(fā)射/接收裝置分別測(cè)量接收到來(lái)自對(duì)方發(fā)送的超聲波信號(hào)的時(shí)間；
根據(jù)測(cè)量到的時(shí)間、所述第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離、所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第五超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離及所述第三超聲波發(fā)射/接收裝置和第六超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離計(jì)算出移動(dòng)式情況下的三維風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)，以及平面內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)。用速度傳感器測(cè)量出系統(tǒng)移動(dòng)式情況下的速度參數(shù)； 用方向測(cè)定部件測(cè)量出系統(tǒng)移動(dòng)式情況下的方向參數(shù)；
根據(jù)速度和方向參數(shù)結(jié)合平面內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)，可計(jì)算出在移動(dòng)式情況下測(cè)量到的實(shí)際環(huán)境條件下的風(fēng)速風(fēng)向。所述第一超聲波發(fā)射/接收裝置與第四超聲波發(fā)射/接收裝置在同一垂直平面； 所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置與第五超聲波發(fā)射/接收裝置在同一垂直平面；所述第三超聲波發(fā)射/接收裝置與第六超聲波發(fā)射/接收裝置在同一垂直平面。所述第一超聲波發(fā)射/接收裝置與水平面成正45度夾角、第二超聲波發(fā)射/接收裝置與水平面成正45度夾角、第三超聲波發(fā)射/接收裝置與水平面成正45度夾角、第四超聲波發(fā)射/接收裝置與水平面成負(fù)45度夾角、第五超聲波發(fā)射/接收裝置與水平面成負(fù)45 度夾角、第六超聲波發(fā)射/接收裝置與水平面成負(fù)45度夾角，且第一超聲波發(fā)射/接收裝
5置與第四超聲波發(fā)射/接收裝置相對(duì)、第二超聲波發(fā)射/接收裝置與第五超聲波發(fā)射/接收裝置相對(duì)、第三超聲波發(fā)射/接收裝置與第六超聲波發(fā)射/接收裝置相對(duì)，同時(shí)，第一超聲波發(fā)射/接收裝置、第二超聲波發(fā)射/接收裝置、第三超聲波發(fā)射/接收裝置、第四超聲波發(fā)射/接收裝置、第五超聲波發(fā)射/接收裝置、第六超聲波發(fā)射/接收裝置與基座分別相連的接點(diǎn)間依次成60度夾角。所述第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離、所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第五超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離及所述第三超聲波發(fā)射/ 接收裝置間的距離相等。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、利用速度測(cè)量元件及定向部件對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，不僅解決了固定式儀器無(wú)法滿足移動(dòng)式情況下風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)采用可靠的方向測(cè)定部件進(jìn)行系統(tǒng)的方向測(cè)定，解決了在山區(qū)及被遮擋等地方無(wú)法精確獲得方位數(shù)據(jù)的技術(shù)問(wèn)題。2、 采用高頻的超聲波信號(hào)作為測(cè)量用信號(hào)以及結(jié)合采用高主頻的微處理器，不僅提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度和分辨率，也提高了系統(tǒng)的通信能力；同時(shí)，采用獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)減少了超聲波傳感器的陰影效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響；解決了現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量精度低、自動(dòng)化程度不高等技術(shù)問(wèn)題。3、 利用超聲波技術(shù)進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量，由于沒(méi)有動(dòng)作部件，因此不易受環(huán)境的影響，能夠適用于惡劣氣候條件下的風(fēng)速風(fēng)向的測(cè)量；解決了現(xiàn)有技術(shù)使用壽命短、容易受環(huán)境條件影響等技術(shù)問(wèn)題。


圖1是本發(fā)明提供的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀結(jié)構(gòu)組成框圖； 圖2為本發(fā)明提供的測(cè)量控制電路原理框圖3為本發(fā)明提供的超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明提供的超聲波傳感器發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路圖； 圖5為本發(fā)明提供的超聲波接收電路原理圖； 圖6為本發(fā)明提供的速度傳感器輸入信號(hào)處理電路原理圖； 圖7為本發(fā)明提供的低溫加熱電路原理圖； 圖8為本發(fā)明提提供的移動(dòng)情況下風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量的程序流程框圖； 圖9為本發(fā)明提供的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向，并利用系統(tǒng)移動(dòng)式載體速度及方向測(cè)定單元對(duì)所測(cè)參數(shù)進(jìn)行修正，從而得出實(shí)際環(huán)境條件下的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)的方法原理示意圖10為本發(fā)明提供的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向，并利用系統(tǒng)移動(dòng)式載體速度及方向測(cè)定單元對(duì)所測(cè)參數(shù)進(jìn)行修正，從而得出實(shí)際環(huán)境條件下的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的描述。如圖1所示是本發(fā)明提供的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀結(jié)構(gòu)組成框圖，其超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元負(fù)責(zé)測(cè)量移動(dòng)情況下的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)，系統(tǒng)載體速度測(cè)量單元負(fù)責(zé)測(cè)量系統(tǒng)移動(dòng)時(shí)載體的移動(dòng)速度數(shù)，系統(tǒng)載體方向測(cè)定單元負(fù)責(zé)測(cè)量系統(tǒng)移動(dòng)時(shí)載體的方向參數(shù)，系統(tǒng)控制單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)對(duì)移動(dòng)情況下所測(cè)的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)修正，進(jìn)而計(jì)算得出實(shí)際環(huán)境條件下的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)。如圖3所示為為本發(fā)明提供的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀中的超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明提供的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元包括基座1、控制電路板和安裝在基座上的六個(gè)測(cè)量臂第一測(cè)量臂21、第二測(cè)量臂22、第三測(cè)量臂23、第四測(cè)量臂M、第五測(cè)量臂25、第六測(cè)量臂沈，六個(gè)測(cè)量臂包括三個(gè)等長(zhǎng)的長(zhǎng)測(cè)量臂和三個(gè)等長(zhǎng)的短測(cè)量臂，長(zhǎng)、短測(cè)量臂與基座相連的接點(diǎn)之間依次相隔60 度。在各個(gè)測(cè)量臂上遠(yuǎn)離基座的一端各安置一個(gè)超聲波發(fā)射/接收傳感器，分別為第一超聲波發(fā)射/接收傳感器31、第二超聲波發(fā)射/接收傳感器32、第三超聲波發(fā)射/接收傳感器33、第四超聲波發(fā)射/接收傳感器34、第五超聲波發(fā)射/接收傳感器35、第六超聲波發(fā)射 /接收傳感器36，且相對(duì)為180度角的兩個(gè)測(cè)量臂上的傳感器也成180度角相對(duì)安裝，即31 和34成180度角相對(duì)安裝、32和35成180度角相對(duì)安裝、33和36成180度角相對(duì)安裝，即一個(gè)長(zhǎng)測(cè)量臂與一個(gè)短測(cè)量臂組成一對(duì)，共三對(duì)測(cè)量臂；31、32、33與水平面分別成正45度夾角，34、35、36與水平面分別成負(fù)45度夾角，且三對(duì)傳感器之間的距離均相等，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可大大減小超聲波傳感器的陰影效應(yīng)對(duì)平面內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量精度的影響，同時(shí)也可測(cè)量出三維空間里的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)，從而避免了傳統(tǒng)風(fēng)速儀只能測(cè)量平面內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)的缺點(diǎn)。超聲波發(fā)射/接收傳感器及速度傳感器與控制電路板通過(guò)導(dǎo)線連接，控制電路板安裝于基座1內(nèi)。為使風(fēng)速風(fēng)向儀的結(jié)構(gòu)適宜移動(dòng)性要求，本發(fā)明中三個(gè)短測(cè)量臂由不銹鋼、銅等較堅(jiān)固的材料經(jīng)兩次彎折塑形而成，長(zhǎng)測(cè)量臂則由相同材料經(jīng)三次彎折塑形而成。本發(fā)明中選用的超聲波發(fā)射/接收傳感器為具有較小溫度-聲速系數(shù)和聲阻抗的超聲波傳感器FUS-200A，不僅可用作發(fā)射信號(hào)，同時(shí)也可作為超聲波信號(hào)的接收傳感器， 因此，解決了傳統(tǒng)超聲波分立安裝超聲波發(fā)射和接收傳感器的困難。或者也可以使用更高一點(diǎn)中心頻率的超聲波傳感器，但同時(shí)也會(huì)要求系統(tǒng)的發(fā)射功率會(huì)有所增加。本發(fā)明中控制電路板上采用的微處理器為ARM，這里選用三星公司的S3W440微處理器，其主頻可達(dá)到533MHz，定時(shí)器的輸入頻率更可高達(dá)50MHz及以上，使得系統(tǒng)的定時(shí)精度和測(cè)量精度都有大幅提升。微處理器作為系統(tǒng)的核心集成于控制電路板上，圖2所示為控制電路板及附屬電路的原理框圖。圖4和圖5中給出了超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路和接收電路。圖4 中的NPN三極管通過(guò)微處理器發(fā)出脈沖來(lái)控制其導(dǎo)通與截止，從而使得電源功率經(jīng)變壓器后激勵(lì)超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波信號(hào)。由于超聲波發(fā)射/接收傳感器FUS-200A采用的是單探頭形式，因此，圖4和圖5中的A點(diǎn)相連，圖4中的TOUTO與圖5中的B均與微處理器的I/O引腳相連；其中變壓器的主要功能為阻抗匹配以及功率傳遞，并將12V直流電壓轉(zhuǎn)換為50V左右的直流脈沖電壓。移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀可采用RS485或RS232接口電路與上位機(jī)進(jìn)行通信。另外，控制電路板上還集成速度傳感器的連接輸入電路，該電路原理圖如圖6所示，主要負(fù)責(zé)速度傳感器傳入信號(hào)的處理和傳輸，系統(tǒng)利用速度傳感器對(duì)鐵磁材質(zhì)的齒輪(或凹槽)經(jīng)過(guò)傳感器元件表面時(shí)，感應(yīng)出的電壓會(huì)發(fā)生變化這一原理，從而產(chǎn)生電壓差，即提供了一個(gè)可測(cè)量脈沖信號(hào)，并且這個(gè)測(cè)量信號(hào)的頻率與轉(zhuǎn)速成正比。本系統(tǒng)中采用霍爾傳感器 mH-5C-70作為速度傳感器，或者也可使用其他精度更好的速度傳感器進(jìn)行代替，速度傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線與控制電路板相連；同樣由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境可能存在各種干擾等， 因此，控制電路板上集成有速度傳感器傳入信號(hào)的處理電路，如圖6所示為該信號(hào)處理電路原理圖，該信號(hào)處理電路包括電流電壓轉(zhuǎn)換、整形等電路，而后連接至微處理器的I/O引腳。由于系統(tǒng)在移動(dòng)時(shí)，其自身的方向可能是隨時(shí)變化的，因此，對(duì)系統(tǒng)自身的方向進(jìn)行檢測(cè)也是必須的。現(xiàn)代技術(shù)測(cè)方向可大概歸結(jié)為兩種方法一種是利用GPS定位系統(tǒng)，另一種是利用地球固有的磁力研制成的羅盤類方向測(cè)定部件，本系統(tǒng)采用具有數(shù)字通信能力的電子羅盤FNN-3300作為測(cè)量系統(tǒng)方向參數(shù)的核心部件，并通過(guò)RS232接口電路與微處理器相連接，使得通信更具可靠性?？紤]到系統(tǒng)可能處于OtlC以下的環(huán)境中進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向的檢測(cè)，由于0°C以下的環(huán)境可能使傳感器的表面結(jié)冰而導(dǎo)致儀器的測(cè)量精度變差，因此，控制電路上還集成有環(huán)境溫度檢測(cè)電路和低溫加熱電路，溫度檢測(cè)電路的核心為數(shù)字傳感器LM92，溫度誤差小于1°C， 該溫度傳感器為1 接口，使用方便，也可以使用精度更高的溫度傳感器。圖7所示為低溫加熱電路原理圖，其中的加熱部分采用12v供壓的加熱片，加熱片可貼在測(cè)量臂的內(nèi)壁上， 在六個(gè)測(cè)量臂靠近超聲波傳感器的一端各安裝一組，并在基座內(nèi)的控制電路板上安裝兩組，其中的控制端均連接到微處理器的控制口 GPB3。當(dāng)檢測(cè)到環(huán)境溫度低于5 時(shí)，此低溫加熱電路在微處理器的控制下對(duì)超聲波傳感器所處的測(cè)量臂內(nèi)區(qū)域進(jìn)行加熱工作，而當(dāng)溫度高于25 時(shí)，此低溫加熱電路經(jīng)微處理器控制而停止加熱工作；使得系統(tǒng)不會(huì)因所處的環(huán)境溫度過(guò)低而影響系統(tǒng)的工作。電源部分為整個(gè)系統(tǒng)提供電能，通?？梢圆捎脤⑿铍姵卣鳛V波的形式，為了方便，可使用汽車、輪船等自身的蓄電池供電。鍵盤部分，可以包含復(fù)位、系統(tǒng)自檢、通信頻率的設(shè)置等。圖9示出了運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向，并利用系統(tǒng)移動(dòng)式載體速度及方向測(cè)定單元對(duì)所測(cè)參數(shù)進(jìn)行修正的方法原理示意圖，該方法運(yùn)用空間矢量加、減法對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而計(jì)算得出實(shí)際環(huán)境條件下的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)。下面結(jié)合以上所述的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，具體以超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元、系統(tǒng)移動(dòng)式載體速度及方向測(cè)定單元詳細(xì)闡述本發(fā)明提供的運(yùn)用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向，并結(jié)合系統(tǒng)移動(dòng)式載體速度及方向測(cè)定單元對(duì)所測(cè)參數(shù)進(jìn)行修正，從而得出實(shí)際環(huán)境條件下的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)的方法。步驟900 分別測(cè)出在固定距離上的三對(duì)傳感器從一端發(fā)射超聲波信號(hào)，另一端接收到超聲波信號(hào)即圖3所示的31、32、33發(fā)射超聲波信號(hào)，34、35、36接收到信號(hào)的時(shí)間分別為U、t2、以；再由34、35、36發(fā)射超聲波信號(hào)，31、32、33接收到信號(hào)的時(shí)間分別為W，t5，訪；結(jié)合傳感器之間的固定距離S，可計(jì)算出三個(gè)方向上的分矢量分別為 Vl=l/2 (S/tl-S/t4)、V2=l/2 (S/t2_S/t5)、V3=l/2 (S/t3_S/t6)，通過(guò)三維空間里的矢
量和形式的計(jì)算，進(jìn)而可得出在系統(tǒng)移動(dòng)情況下的三維風(fēng)速參數(shù)Z以及三維風(fēng)向參數(shù)為 0。步驟901 經(jīng)步驟900測(cè)量出的三維風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)，可分解為高度上參數(shù)和平面內(nèi)參數(shù)，出于實(shí)際應(yīng)用考慮，可認(rèn)為平面內(nèi)風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)為實(shí)際條件下的風(fēng)速風(fēng)向。超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元測(cè)得的風(fēng)速風(fēng)向可解為平面空間里X、y坐標(biāo)系下相互垂直的分矢量
8
權(quán)利要求
1.移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征是它包括超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元、移動(dòng)式系統(tǒng)載體速度測(cè)量單元以及系統(tǒng)載體方向測(cè)定單元，其中，所述超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元包括基座、控制電路板、三個(gè)長(zhǎng)測(cè)量臂及三個(gè)短測(cè)量臂和六個(gè)超聲波發(fā)射/接收傳感器，六個(gè)測(cè)量臂分別與基座相連，并且長(zhǎng)、短測(cè)量臂與基座相連的接點(diǎn)之間依次成60度夾角；六個(gè)測(cè)量臂遠(yuǎn)離基座的一端安裝一個(gè)超聲波發(fā)射/接收傳感器，相對(duì)成180度的兩個(gè)測(cè)量臂上的傳感器也成180度相對(duì)，成對(duì)的傳感器之間的距離均相等，所述的控制電路板包括電源、微處理器及附屬電路、超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)接收電路，所述超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)接收電路分別連接微處理器的控制端及中斷端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征是所述移動(dòng)式系統(tǒng)載體方向測(cè)定單元包括一個(gè)方向測(cè)定部件，并通過(guò)RS232接口與微處理器相連接；所述移動(dòng)式系統(tǒng)載體速度測(cè)量單元包括一個(gè)速度傳感器，并通過(guò)導(dǎo)線與控制電路板相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征是該儀器還設(shè)有溫度傳感器，該溫度傳感器與微處理器相連，相應(yīng)的，在所述控制電路板上還安裝有低溫加熱電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征是該儀器還包括液晶屏和按鍵，它們分別與微處理器的輸入和輸出電路相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征是所述控制電路板還設(shè)有與上位機(jī)通信的接口電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，其特征是所述控制電路板安裝于所述基座內(nèi)。
7.一種移動(dòng)式情況下利用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的方法，其特征是，所述方法包括用超聲波三維風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元中的第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收裝置分別測(cè)量接收到來(lái)自對(duì)方發(fā)送的超聲波信號(hào)的時(shí)間；用第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第五超聲波發(fā)射/接收裝置分別測(cè)量接收到來(lái)自對(duì)方發(fā)送的超聲波信號(hào)的時(shí)間；用第三超聲波發(fā)射/接收裝置和第六超聲波發(fā)射/接收裝置分別測(cè)量接收到來(lái)自對(duì)方發(fā)送的超聲波信號(hào)的時(shí)間；根據(jù)測(cè)量到的時(shí)間、所述第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離、所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第五超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離及所述第三超聲波發(fā)射/接收裝置和第六超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離計(jì)算出移動(dòng)式情況下的三維風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)，以及平面內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)；用速度傳感器測(cè)量出系統(tǒng)移動(dòng)式情況下的速度參數(shù)；用方向測(cè)定部件測(cè)量出系統(tǒng)移動(dòng)式情況下的方向參數(shù)；根據(jù)速度和方向參數(shù)結(jié)合平面內(nèi)的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)，可計(jì)算出在移動(dòng)式情況下測(cè)量到的實(shí)際環(huán)境條件下的風(fēng)速風(fēng)向。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的移動(dòng)式情況下利用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的方法，其特征是， 所述第一超聲波發(fā)射/接收裝置與第四超聲波發(fā)射/接收裝置在同一垂直平面；所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置與第五超聲波發(fā)射/接收裝置在同一垂直平面；所述第三超聲波發(fā)射/接收裝置與第六超聲波發(fā)射/接收裝置在同一垂直平面。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的移動(dòng)式情況下利用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的方法，其特征是， 所述第一超聲波發(fā)射/接收裝置與水平面成正45度夾角、第二超聲波發(fā)射/接收裝置與水平面成正45度夾角、第三超聲波發(fā)射/接收裝置與水平面成正45度夾角、第四超聲波發(fā)射 /接收裝置與水平面成負(fù)45度夾角、第五超聲波發(fā)射/接收裝置與水平面成負(fù)45度夾角、 第六超聲波發(fā)射/接收裝置與水平面成負(fù)45度夾角，且第一超聲波發(fā)射/接收裝置與第四超聲波發(fā)射/接收裝置相對(duì)、第二超聲波發(fā)射/接收裝置與第五超聲波發(fā)射/接收裝置相對(duì)、第三超聲波發(fā)射/接收裝置與第六超聲波發(fā)射/接收裝置相對(duì)，同時(shí)，第一超聲波發(fā)射/ 接收裝置、第二超聲波發(fā)射/接收裝置、第三超聲波發(fā)射/接收裝置、第四超聲波發(fā)射/接收裝置、第五超聲波發(fā)射/接收裝置、第六超聲波發(fā)射/接收裝置與基座分別相連的接點(diǎn)間依次成60度夾角。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的移動(dòng)式情況下利用超聲波測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的方法，其特征是， 所述第一超聲波發(fā)射/接收裝置和第四超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離、所述第二超聲波發(fā)射/接收裝置和第五超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離及所述第三超聲波發(fā)射/接收裝置間的距離相等。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種移動(dòng)式超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀及測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向的方法，該裝置包括超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元、移動(dòng)式系統(tǒng)載體速度測(cè)量單元以及系統(tǒng)方向測(cè)定單元，風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元包括基座、控制電路板、六個(gè)測(cè)量臂和六個(gè)超聲波發(fā)射/接收傳感器，測(cè)量臂與基座相連，并且依次成60度夾角；每個(gè)測(cè)量臂上各設(shè)一個(gè)超聲波傳感器；系統(tǒng)載體的速度及方向測(cè)量單元包括速度傳感器和方向測(cè)定部件；同時(shí)本發(fā)明還提供了一種運(yùn)用超聲波在移動(dòng)情況下測(cè)量實(shí)際環(huán)境條件下風(fēng)速風(fēng)向的方法，所述方法為通過(guò)超聲波風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量單元測(cè)量出移動(dòng)式情況下的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)，結(jié)合測(cè)量到的系統(tǒng)載體移動(dòng)速度和方向參數(shù)，計(jì)算出系統(tǒng)在移動(dòng)情況下所測(cè)的實(shí)際環(huán)境條件下的風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)。
文檔編號(hào)G01P5/24GK102175887SQ20111002832
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者張自嘉, 葛志鑫 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)