一種基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)，包括萬向輪、底座、L型支撐架、圓環(huán)、第一~第六超聲波傳感器、電路控制模塊，萬向輪固定于底座的下表面，L型支撐架的一端固定于底座的上表面，另一端固定有圓環(huán)，第一~第四超聲波傳感器分別設(shè)置于圓環(huán)上，且相鄰兩個(gè)超聲波傳感器與圓環(huán)圓心形成的夾角均為90度，第五、第六超聲波傳感器分別設(shè)置于圓環(huán)的軸線上，且第五、第六超聲波傳感器到圓環(huán)圓心的距離均等于圓環(huán)的半徑，第一~第六超聲波傳感器分別與電路控制模塊連接，電路控制模塊設(shè)置于底座中。本實(shí)用新型可以適應(yīng)不同的室外環(huán)境，且體積不大，低功耗，高精度，能夠測量范圍較大的風(fēng)速。
【專利說明】
一種基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)，屬于電子測量與氣象 計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，國內(nèi)測風(fēng)仍多采用傳統(tǒng)機(jī)械式測風(fēng)儀，這種測風(fēng)儀成本低，但其測量精度普 遍不高，一般為〇. 3m/s。傳統(tǒng)機(jī)械式測風(fēng)儀在長久使用之后，其機(jī)械磨損會(huì)比較嚴(yán)重，會(huì)對 測量的準(zhǔn)確性有較大的影響。由于這些傳統(tǒng)機(jī)械式測風(fēng)儀固有的缺點(diǎn)，它們將不再滿足未 來測量風(fēng)速的要求，因此研究一套可以解決這些傳統(tǒng)機(jī)械式測風(fēng)儀固有缺點(diǎn)的系統(tǒng)勢在必 行。
[0003] 超聲波測風(fēng)是超聲波檢測技術(shù)在氣體介質(zhì)中的一種新的應(yīng)用，和傳統(tǒng)機(jī)械式測風(fēng) 儀相比，其自身無活動(dòng)部件，屬無慣性測量，具有反應(yīng)速度快，測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。但是，現(xiàn) 有的超聲波測風(fēng)系統(tǒng)都是固定好的定點(diǎn)式測量系統(tǒng)，無法移動(dòng)，方向也是固定的，所以這種 超聲波測風(fēng)系統(tǒng)在移動(dòng)平臺(tái)上無法使用，且移動(dòng)相對麻煩。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系 統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)Φ涂斩c(diǎn)或多點(diǎn)的風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行較高精度的測量，易于運(yùn)輸，適用于野 外現(xiàn)場風(fēng)速測量。
[0005] 本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0006] 一種基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)，包括萬向輪、底座、L型支撐架、圓環(huán)、 第一~第六超聲波傳感器、電路控制模塊，所述萬向輪固定于底座的下表面，L型支撐架的 一端固定于底座的上表面，另一端固定有圓環(huán)，且圓環(huán)置于水平方向上，第一~第四超聲波 傳感器分別設(shè)置于圓環(huán)上，且相鄰兩個(gè)超聲波傳感器與圓環(huán)圓心形成的夾角均為90度，L型 支撐架固定有圓環(huán)的一端的延長線經(jīng)過圓環(huán)的一條直徑，且第一~第四超聲波傳感器與圓 環(huán)圓心的連線和該延長線之間的夾角均為45度，第五、第六超聲波傳感器分別設(shè)置于圓環(huán) 的軸線上，第五、第六超聲波傳感器分別位于圓環(huán)的上、下方，且第五、第六超聲波傳感器到 圓環(huán)圓心的距離均等于圓環(huán)的半徑，第一~第六超聲波傳感器分別與電路控制模塊連接， 電路控制模塊設(shè)置于底座中。
[0007] 作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步方案，該系統(tǒng)還包括顯示模塊，所述顯示模塊設(shè)置于L型 支撐架上，且與電路控制模塊連接。
[0008] 作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步方案，該系統(tǒng)還包括無線傳輸模塊、遠(yuǎn)程控制端，所述無 線傳輸模塊設(shè)置于底座中，且與電路控制模塊連接，電路控制模塊通過無線傳輸模塊與遠(yuǎn) 程控制端無線通信。
[0009] 作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方案，所述電路控制模塊為EP4CE15F17C8N型號(hào)的FPGA芯 片。
[0010] 作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方案，所述無線傳輸模塊為S頂900型號(hào)芯片。
[0011] 作為本實(shí)用新型的優(yōu)選方案，所述顯示模塊為IXD液晶顯示屏。
[0012] 本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0013] 1、本實(shí)用新型改變了傳統(tǒng)測風(fēng)裝置的定點(diǎn)測量模式，因?yàn)槎叹嚯x水平上地勢高低 亦可導(dǎo)致風(fēng)速的改變，所以該系統(tǒng)可在短距離水平方位內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)測量，減小誤差，該結(jié)構(gòu) 也可靈活微小的校對基準(zhǔn)方向。
[0014] 2、本實(shí)用新型在結(jié)構(gòu)上采用三角臂與圓環(huán)臂的方式，該結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且可保持超聲 波傳感器安裝的一致性，減少測量誤差。
[0015] 3、本實(shí)用新型采用三對超聲波傳感器，能全方位的測量三維下的風(fēng)的狀態(tài)，測量 原理簡單。
[0016] 4、本實(shí)用新型可以適應(yīng)不同的室外環(huán)境，且體積不大，低功耗，高精度，能夠測量 范圍較大的風(fēng)速。
[0017] 5、本實(shí)用新型通過無線傳輸手段將測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程控制端，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程 遙測。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本實(shí)用新型基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖。
[0019] 圖2是本實(shí)用新型基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)中超聲波傳感器所在部位 的俯視圖。
[0020] 圖3是本實(shí)用新型基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)的硬件原理圖。
[0021]其中，1-6均為超聲波傳感器，7為指南針，8為顯示模塊，9為無線傳輸模塊，10為電 路控制模塊，11為萬向輪。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中 自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通 過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能解釋為對本實(shí)用 新型的限制。
[0023] 如圖1、圖2所示，給出了本實(shí)用新型風(fēng)速測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，整個(gè)風(fēng)速測量系 統(tǒng)包括三對收發(fā)一體式的超聲波傳感器1-6,標(biāo)號(hào)1和標(biāo)號(hào)3為一對、標(biāo)號(hào)2和標(biāo)號(hào)4為一對、 標(biāo)號(hào)5和標(biāo)號(hào)6為一對。超聲波傳感器1-4分布在圓環(huán)臂所在的水平面上，標(biāo)號(hào)1和標(biāo)號(hào)3的連 接線與標(biāo)號(hào)2和標(biāo)號(hào)4的連接線相互垂直相交于圓環(huán)的圓心。標(biāo)號(hào)5和標(biāo)號(hào)6的連接線與圓環(huán) 所在的水平面垂直且通過圓環(huán)的圓心。標(biāo)號(hào)1和標(biāo)號(hào)3、標(biāo)號(hào)2和標(biāo)號(hào)4、標(biāo)號(hào)5和標(biāo)號(hào)6的間距 都為40cm。
[0024] 該系統(tǒng)還包括底座、萬向輪11、L型支撐架、電路控制模塊10、顯示模塊8、無線傳輸 模塊9、遠(yuǎn)程控制端，底座與L型支撐架相連，電路控制模塊放置在底座內(nèi)，無線傳輸模塊放 置在底座的右側(cè)面，顯示模塊放置在L型支撐架上，六個(gè)超聲波傳感器分別安裝在L型支撐 架一端的三角臂與圓環(huán)臂上，在電路控制模塊的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量，遠(yuǎn)程控制端通過 GPRS無線傳輸技術(shù)與電路控制模塊交換數(shù)據(jù)。
[0025] 六個(gè)超聲波傳感器，其中四個(gè)超聲波傳感器置于水平方向上的圓環(huán)臂上，呈"X"型 正交放置，圓環(huán)臂上相鄰超聲波傳感器水平夾角成90°，圓環(huán)臂直徑為40cm。其余兩個(gè)超聲 波傳感器分別置于三角形支架的上下臂，兩個(gè)超聲波傳感器垂直相對，兩個(gè)超聲波傳感器 之間的連線通過圓環(huán)臂的圓心，相距為40cm，這兩個(gè)超聲波傳感器在圓環(huán)臂水平方向的投 影與圓環(huán)臂上相鄰超聲波傳感器水平夾角成45°。
[0026] 本實(shí)用新型利用超聲波的傳播特性來測量風(fēng)速風(fēng)向，從三維的情況來考慮:設(shè)超 聲波傳感器的固定距離為D，超聲波的速度為C，風(fēng)在以圓環(huán)圓心為直角坐標(biāo)系圓心的3個(gè)坐 標(biāo)軸方向上的分量為V x、Vy、Vz。先求沿X軸方向的風(fēng)速，設(shè)超聲波沿X軸順風(fēng)傳播的時(shí)間為 Tab，逆風(fēng)時(shí)傳播的時(shí)間為TBA，那么就有如下的關(guān)系：
[0027] (C+Vx) · Tab = D (1)
[0028] (C-Vx) · Tba=D (2)
[0029] 由式（1)、（2)可得：
[0030]
⑶
[0031] 通過式(3)可以知道，不需要知道超聲波的傳播速度，只要分別測出該方向上超聲 波順風(fēng)和逆風(fēng)的到達(dá)時(shí)間，就可以計(jì)算出該方向上的風(fēng)速，同理可以計(jì)算出V y和Vz，最后通 過矢量合成就可以得到總的風(fēng)速。本實(shí)用新型風(fēng)速測量系統(tǒng)配有指南針7,在系統(tǒng)初次安裝 時(shí)可人工校對安放的方向（以北方為基準(zhǔn)），故在測量出三個(gè)方向上的風(fēng)速之后，可通過風(fēng) 向角公式計(jì)算出在直角坐標(biāo)系上的方向。例如以XY軸為例，XY平面上風(fēng)向角的公式為
最后結(jié)合之前指南針7校對好的基準(zhǔn)方向便可最終得出實(shí)際三維空間里的風(fēng)的 方向。
[0032]如圖3所示，給出了本實(shí)用新型的整個(gè)硬件原理圖，超聲波傳感器1-6、顯示模塊8、 無線傳輸模塊9均與電路控制模塊10連接，電路控制模塊10還與串口、復(fù)位、時(shí)鐘等基本電 路，以及電源模塊連接，且電路控制模塊10采用時(shí)序能力和數(shù)據(jù)處理能力極強(qiáng)的FPGA芯片 作為核心控制芯片，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行超聲波傳感器的收發(fā)控制、數(shù)據(jù)處理、信息傳輸?shù)?。?時(shí)結(jié)合器件資源條件，綜合時(shí)延估計(jì)信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)高精度的超聲波風(fēng)速測量，通過無 線傳輸模塊9操控電路控制模塊10實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測。
[0033]以上實(shí)施例僅為說明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范 圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本實(shí) 用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)，其特征在于，包括萬向輪、底座、L型支撐 架、圓環(huán)、第一~第六超聲波傳感器、電路控制模塊，所述萬向輪固定于底座的下表面，L型支 撐架的一端固定于底座的上表面，另一端固定有圓環(huán)，且圓環(huán)置于水平方向上，第一~第四 超聲波傳感器分別設(shè)置于圓環(huán)上，且相鄰兩個(gè)超聲波傳感器與圓環(huán)圓心形成的夾角均為90 度，L型支撐架固定有圓環(huán)的一端的延長線經(jīng)過圓環(huán)的一條直徑，且第一~第四超聲波傳感 器與圓環(huán)圓心的連線和該延長線之間的夾角均為45度，第五、第六超聲波傳感器分別設(shè)置 于圓環(huán)的軸線上，第五、第六超聲波傳感器分別位于圓環(huán)的上、下方，且第五、第六超聲波傳 感器到圓環(huán)圓心的距離均等于圓環(huán)的半徑，第一~第六超聲波傳感器分別與電路控制模塊 連接，電路控制模塊設(shè)置于底座中。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包 括顯示模塊，所述顯示模塊設(shè)置于L型支撐架上，且與電路控制模塊連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包 括無線傳輸模塊、遠(yuǎn)程控制端，所述無線傳輸模塊設(shè)置于底座中，且與電路控制模塊連接， 電路控制模塊通過無線傳輸模塊與遠(yuǎn)程控制端無線通信。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)，其特征在于，所述電路控 制模塊為EP4CE15F17C8N型號(hào)的FPGA芯片。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)，其特征在于，所述無線傳 輸模塊為S頂900型號(hào)芯片。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述基于超聲波的可移動(dòng)式風(fēng)速測量系統(tǒng)，其特征在于，所述顯示模 塊為IXD液晶顯示屏。
【文檔編號(hào)】G01P5/24GK205539048SQ201620285746
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】行鴻彥, 張冬冬
【申請人】南京信息工程大學(xué)