吳有恒，榮海春

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺(tái)部，安徽 合肥 230031)

基于三維超聲風(fēng)速風(fēng)向儀的高精度數(shù)據(jù)測(cè)量方法

吳有恒，榮海春

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺(tái)部，安徽 合肥 230031)

三維超聲風(fēng)速風(fēng)向儀具有測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，功能全面，配置靈活等特點(diǎn)，非常適合系留氣球及飛艇等浮空器對(duì)大氣環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的要求。提出了基于該型傳感器的風(fēng)速風(fēng)向檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)介紹了風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)的采集和處理過(guò)程。該方法已在某型系留氣球系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用。

風(fēng)速風(fēng)向；數(shù)據(jù)采集； 數(shù)據(jù)處理

0 引言

系留氣球?qū)儆诟】掌鞯囊环N，是一種無(wú)動(dòng)力氣球飛行器。它用系留纜繩與地面系留設(shè)施連接，內(nèi)部充有氦氣，靠囊體排開(kāi)空氣產(chǎn)生的靜浮力升空。系留氣球系統(tǒng)一般由球體、纜繩組件、地面系留設(shè)施、操控系統(tǒng)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等部分組成。系留氣球具有滯空時(shí)間長(zhǎng)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，部署簡(jiǎn)單靈活，造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用低廉，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。

系留氣球的抗風(fēng)適應(yīng)能力與球體的氣動(dòng)特性、布局、凈浮力和體積大小有關(guān)。為了準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣球動(dòng)態(tài)，系留氣球所處位置的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)系留氣球平臺(tái)來(lái)說(shuō)就顯得尤為重要，是判斷氣球空中執(zhí)行任務(wù)時(shí)安全操作的重要依據(jù)之一，是壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力參數(shù)設(shè)置的入口值，更是判斷系留氣球是否能繼續(xù)安全放飛的重要決策依據(jù)[2]。

1 系留氣球風(fēng)速風(fēng)向儀傳感器選型

1.1 傳感器選型

系留氣球一般都處在千米以上的高空，風(fēng)的變化隨機(jī)性較強(qiáng)，檢測(cè)系統(tǒng)必須能及時(shí)的對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向的變化做出反應(yīng)，傳統(tǒng)的機(jī)械方式遠(yuǎn)不能滿足系留氣球的實(shí)時(shí)性、精確性要求，只有依靠高精度傳感器檢測(cè)。用風(fēng)速風(fēng)向儀對(duì)氣球周圍的風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行測(cè)量是較為直接的手段。風(fēng)速風(fēng)向儀有二維和三維兩種類型，由于氣球在空中是運(yùn)動(dòng)的，兩維的風(fēng)速風(fēng)向儀會(huì)因氣球的傾斜而造成測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確。為此，我們選用三維超聲風(fēng)速風(fēng)向儀。三維超聲風(fēng)速風(fēng)向儀是利用超聲波進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量的。超聲波[3]是頻率高于20000Hz的聲波，其特征是波長(zhǎng)短，近似作直線傳播，可形成高強(qiáng)度、劇烈震動(dòng)。超聲風(fēng)速風(fēng)向儀是利用超聲波在順風(fēng)和逆風(fēng)時(shí)傳播速度不同，通過(guò)測(cè)量其時(shí)間差方法判定風(fēng)速的大小。借助風(fēng)速風(fēng)向儀在空間方向上互相垂直分布的三對(duì)探頭，通過(guò)測(cè)定空間的三維風(fēng)速，再利用矢量合成的方法就可以計(jì)算得到風(fēng)向。典型產(chǎn)品有芬蘭維薩拉公司的WXT510、意大利Aelta公司的HD2003.1、美國(guó)Campbell Scientific公司的CSAT3、R.M.YOUNG公司的81000等。綜合比較上述幾種產(chǎn)品的性能、重量等指標(biāo)，結(jié)合系留氣球?qū)嶋H的工程需求，我們選用意大利Aelta公司的HD2003.1型傳感器，該型傳感器無(wú)可動(dòng)部件，測(cè)量精度高，響應(yīng)速度極快，功能全面，不但能夠測(cè)量風(fēng)速與風(fēng)向，還能測(cè)量大氣的溫度、濕度及大氣壓等。

1.2 主要性能參數(shù)

意大利Aelta公司的HD2003.1三維超聲風(fēng)速儀采用脈沖聲學(xué)模式工作，可以適應(yīng)在惡劣天氣條件下的暴露工作?？梢詼y(cè)量三相正交風(fēng)速分量(Ux、Uy、Uz)、聲速(C)、超聲波的溫度及相對(duì)濕度；可以同時(shí)輸出溫度、相對(duì)濕度、氣壓；提供電流/電壓模擬、RS232/RS485兩種類型的數(shù)據(jù)輸出；可配置數(shù)據(jù)的輸出速率，以最大50Hz的速率測(cè)量和輸出；完善的故障自檢功能并報(bào)告錯(cuò)誤類型；內(nèi)部集成數(shù)字羅盤(pán)自動(dòng)定磁北；超聲波測(cè)量?jī)x上集成自動(dòng)加熱設(shè)備，保證下雪、凍雨、冰雹等惡劣環(huán)境下也能使用[4]。

(1)供電方式：12～30VDC，功耗為2W(加熱時(shí)為6W)。

(2)風(fēng)速輸出：

測(cè)量單位：m/s、cm/s、km/h、knots、mph

測(cè)量范圍：0～60 m/s(216km/h)

測(cè)量最小分辨率：0.01m/s

測(cè)量誤差：輸出數(shù)據(jù)的±1%

輸出風(fēng)速Ux、Uy、Uz是參照于風(fēng)速儀載體的坐標(biāo)系的風(fēng)速分量

(3)風(fēng)向輸出：

測(cè)量范圍：方位0～360°，俯仰±60°

測(cè)量最小分辨率：0.1°

測(cè)量誤差：輸出數(shù)據(jù)的±1%

(4)測(cè)量溫度輸出：

測(cè)量范圍：-40°～60°

測(cè)量最小分辨率：0.1°

測(cè)量誤差：±0.2°

(5)相對(duì)濕度輸出：

測(cè)量范圍：0～100% RH

測(cè)量最小分辨率：0.1% RH

測(cè)量誤差：±2.5% RH

HD2003.1實(shí)物外形圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)速風(fēng)向儀實(shí)物外形圖

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

采集原理示意圖如圖2所示，為了便于準(zhǔn)確獲取系留氣球所處位置的環(huán)境參數(shù)，我們一般把風(fēng)速風(fēng)向儀安裝在球的頭頂部，這樣傳感器的位置離我們信息處理單元的安裝位置就比較遠(yuǎn)，大于15米，為了保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，我們一般采取通信距離較遠(yuǎn)的485接口。

圖2 數(shù)據(jù)采集示意圖

在風(fēng)速風(fēng)向儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，以嵌入式球控計(jì)算機(jī)作為主處理單元，傳感器與主處理單元之間通過(guò)接口處理模塊相連。接口處理模塊是高性能的基于SC16C550 UART芯片設(shè)計(jì)的串行通信擴(kuò)展模塊，可根據(jù)需要通過(guò)板上的跨接跳線，自由選擇RS232、RS422或RS485通訊協(xié)議，自由設(shè)定BIOS/DOS中規(guī)定的擴(kuò)展串行通訊口地址，而且對(duì)每個(gè)通訊口的中斷IRQ也可通過(guò)板上的跨接端子自由選擇，模塊的RS485功能使用自動(dòng)收發(fā)控制電路，不需要設(shè)置任何跳線器和波動(dòng)開(kāi)關(guān)以決定收發(fā)選擇。該接口處理模塊被設(shè)計(jì)在球控處理計(jì)算機(jī)的插件印制板上，從而實(shí)現(xiàn)與球控處理計(jì)算機(jī)的無(wú)縫對(duì)接。

數(shù)據(jù)采集過(guò)程如下：

(1)傳感器參數(shù)設(shè)置：風(fēng)速風(fēng)向儀在出廠時(shí)對(duì)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行了默認(rèn)設(shè)置，但是由于工程使用環(huán)境的不同，默認(rèn)設(shè)置不一定滿足實(shí)際的使用要求，為此需要通過(guò)傳感器自帶的參數(shù)設(shè)置軟件將傳感器設(shè)置成為滿足系留氣球使用要求的數(shù)據(jù)格式。接口通訊格式按照8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)位、1位結(jié)束位，傳輸速率為38400bps來(lái)設(shè)置。

(2)數(shù)據(jù)問(wèn)詢發(fā)起：由于我們采用RS485接口通訊方式，根據(jù)其使用指南，必須在問(wèn)詢命令發(fā)出之前，給傳感器先輸入一個(gè)不小于2ms的Break信號(hào)，傳感器才能接收問(wèn)詢命令。問(wèn)詢命令由字頭、字長(zhǎng)、數(shù)據(jù)及校驗(yàn)組成。球控處理計(jì)算機(jī)上電后，球控處理程序會(huì)定時(shí)發(fā)送命令問(wèn)詢信息，請(qǐng)求風(fēng)速風(fēng)向傳感器回饋采集的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。傳感器收到命令后立刻向球控處理計(jì)算機(jī)回饋一組采集到的數(shù)據(jù)作為應(yīng)答?；仞伒臄?shù)據(jù)格式由字頭、數(shù)據(jù)和結(jié)束符組成，具體響應(yīng)信息格式如下：

IIIIMI&….&AAAMAA；

IIIIMI&為字頭，ID為風(fēng)速風(fēng)向儀傳感器編號(hào)，由于是RS485總線形式，可以連接多個(gè)風(fēng)速風(fēng)向傳感器，但我們這里實(shí)際只用到1個(gè)，故為1；DATAx為輸出所測(cè)得的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)順序根據(jù)我們的意愿可以設(shè)置，假如我們要是按照風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度及大氣壓的順序設(shè)置，那么傳感器輸出就按照我們?cè)O(shè)置好的順序逐個(gè)輸出；&AAAMAA為結(jié)束符。我們可以靈活運(yùn)用字頭和結(jié)束符去獲取我們真正需要的有用數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)接收：數(shù)據(jù)接收的一個(gè)重要內(nèi)容就是要去偽存真，由于環(huán)境的不確定性，傳感器可能受到干擾，風(fēng)速風(fēng)向儀發(fā)出的數(shù)據(jù)并不都是我們想要的，可能存在誤碼等情況。我們的判斷依據(jù)是字頭和結(jié)束符，由于字頭和結(jié)束符都是確定已知的，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)被采集到后，首先判斷字頭是不是正確，如果字頭正確，我們就開(kāi)始接收數(shù)據(jù)并保存，如字頭不正確，則丟掉接收到的數(shù)據(jù)，繼續(xù)比較判定等待字頭；通過(guò)判斷數(shù)據(jù)結(jié)束符是否正確以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是否符合要求來(lái)結(jié)束一幀數(shù)據(jù)的接收，如數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不對(duì)，這幀數(shù)據(jù)也拋棄。當(dāng)收到一幀正確的數(shù)據(jù)后，就轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)處理程序，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理程序的主要功能是將共用接收緩區(qū)收到的正確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到風(fēng)速風(fēng)向儀傳感器的專用緩區(qū)，并進(jìn)行解析和處理，把我們需要的風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓、濕度及溫度等數(shù)據(jù)提取出來(lái)送給地面主控終端。數(shù)據(jù)處理軟件是基于Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境的Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，充分發(fā)揮Vxworks的多任務(wù)調(diào)度、任務(wù)間同步與通信、中斷處理支持、內(nèi)存管理等的優(yōu)越性，同時(shí)利用以太網(wǎng)進(jìn)行目標(biāo)機(jī)與宿主機(jī)的通信，可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向大氣環(huán)境參數(shù)的變化，對(duì)球控處理程序進(jìn)行優(yōu)化和完善。整個(gè)數(shù)據(jù)采集和處理流程[6]如圖3所示。數(shù)據(jù)采集和處理流程框是數(shù)據(jù)處理軟件的關(guān)鍵算法，是數(shù)據(jù)從傳感器正確采集和處理的保證。主要的數(shù)據(jù)處理語(yǔ)句有：

//風(fēng)速風(fēng)向等參數(shù)定義

float WindSpeed = 0;

float WindDire = 0;

float DQWD = 0;

float DQSD = 0;

float DQYL = 0;

//向風(fēng)速風(fēng)向儀發(fā)送請(qǐng)求命令信息

SendRequesttoFSFXData( )；

//從緩區(qū)中讀取風(fēng)速風(fēng)向儀數(shù)據(jù)

Get_OneGroupDataFromFSFX(report_data,report_data_length)；

//將風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)從共用緩區(qū)移送至風(fēng)速風(fēng)向儀專用緩區(qū)

memcpy(report_dataFSFX,report_data,report_data_length*sizeof(CHAR))；

//獲取風(fēng)速風(fēng)向儀數(shù)據(jù)

GetFSFXData(char* RecBuf,U16 Length)；

圖3 數(shù)據(jù)采集和處理流程

3 防雷擊及抗干擾考量

由于風(fēng)速風(fēng)向傳感器安裝在系留氣球的頭頂部，很容易遭受雷電的襲擊，這樣極易損壞傳感器，為了防止傳感器遭受雷擊，同時(shí)也從整個(gè)系留氣球安全性的角度來(lái)考慮，我們?cè)谙盗魵馇虻捻敳堪惭b有防雷網(wǎng)，使傳感器處于防雷網(wǎng)的保護(hù)范圍之類，免受直擊雷的危害。同時(shí)再給風(fēng)速風(fēng)向儀供電單元上加裝隔離變壓器以及浪涌保護(hù)器，可以避免感應(yīng)雷對(duì)傳感器的干擾和損害[7]。

在傳感器的工作過(guò)程中，由于整個(gè)系留氣球系統(tǒng)電子設(shè)備較多，在布線時(shí)，為了規(guī)范和美觀，一般都粘有規(guī)則的走線槽，電纜在走線過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)模擬信號(hào)線、數(shù)字信號(hào)線、控制線和電源線在一個(gè)線束中并排走的情況，這樣線間耦合就會(huì)產(chǎn)生傳輸過(guò)程的干擾。為了抑制這種干擾，一般都采取屏蔽和接地措施。屏蔽主要是針對(duì)傳輸中的線纜和連接器，線纜采用帶屏蔽護(hù)套的線纜，連接器采用帶濾波電容的連接器，同時(shí)，在線纜的兩端加裝屏蔽環(huán)。接地是可靠屏蔽的一個(gè)關(guān)鍵因素，線纜的屏蔽層和連接器的殼體都要可靠接地，這樣才能盡可能的減少線間干擾，保證傳感器工作的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

圖4 機(jī)械式與超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀數(shù)據(jù)對(duì)比

HD2003.1三維超聲風(fēng)速風(fēng)向儀是一款性能優(yōu)越的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量設(shè)備，本文結(jié)合系留氣球?qū)Υ髿猸h(huán)境的工程需求特點(diǎn)，提出了一種方便、可靠的風(fēng)速風(fēng)向測(cè)量方法，為在系留氣球和飛艇等對(duì)性能和測(cè)量參數(shù)要求嚴(yán)格場(chǎng)合下的應(yīng)用提供了一種可供參考的設(shè)計(jì)思路。采用本文方法測(cè)得的數(shù)據(jù)與機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)比如下圖4所示。

明顯看出，在同等條件下，三維超聲風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)得的數(shù)據(jù)精度和辨識(shí)度要遠(yuǎn)高于機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀。

[1] 彭桂林,陳利.系留氣球系統(tǒng)除冰雪裝置的研制[J].機(jī)械與電子,2009(1):17-20.

[2] 段曉超,譚劍波.系留氣球壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模和設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(11):110-112.

[3] 百度百科.超聲波[EB/OL].(2014-10-29) [2014-11-6].http://zhidao.baidu.com/question/23027832.html?fr=qrl3.

[4] Delta Ohm.Three-Axis Ultrasonic Anemometer User's Manual[R].Caselle Selvazzano Dentro Padua,Italy,2006.

[5] 周康,辛?xí)詭?采用直接時(shí)差法的無(wú)線超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011(12):54-56+60.

[6] 辛?xí)詭?周康.基于ZigBee 的風(fēng)力發(fā)電超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(8):19-21.

[7] 朱弘,郭立俊.系留氣球GPS的抗干擾研究與設(shè)計(jì)[J].2011(5):146-148.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：張朋毅]

High Precision Data Measurement of Wind Speed and Direction Based on Three-Axis Ultrasonic Anemometer

WuYou-heng，RongHai-chun

(Aero platform Department,No.38 Research Institute of CETC,Hefei,230031,China)

Three-Axis ultrasonic anemometer is very suitable for the environment monitor demand of tethered aerostat and airship because of its high precision, fast answer, perfect function and agile configuration.This paper proposes a detection design about wind speed and direction based on the sensor, where the course of data collecting and processing is described emphatically。This method has been used successfully in a type of tethered aerostats.

wind speed and direction；data collecting；data processing

2014-09-09

吳有恒(1980-)，男，湖北武穴人，工程師，主要從事浮空器電訊總體設(shè)計(jì)工作。

V274

A

1008-9233(2015)03-0034-04