¿Cómo se obtienen la velocidad y la dirección reales del viento a partir de un anemómetro ultrasónico?

Artículo técnico | Sensores para UAV · Estaciones meteorológicas móviles · Observación meteorológica

Cuando un anemómetro ultrasónico se monta en una plataforma móvil, como un UAV, un dron o un vehículo, el vector de viento medido contiene la influencia del propio movimiento de la plataforma. Para obtener la velocidad y dirección reales del viento, el sistema del anemómetro ultrasónico debe incorporar una brújula electrónica, un giroscopio/sensor de actitud y un módulo de posicionamiento GPS o BeiDou. Los datos medidos deben corregirse mediante una secuencia de transformaciones de coordenadas y cálculos vectoriales: primero, la velocidad de la plataforma se transforma del sistema de coordenadas geográficas al sistema de coordenadas del cuerpo; luego, se calcula el vector de viento real en el sistema de coordenadas del cuerpo; el resultado se transforma de nuevo al sistema de coordenadas geográficas; finalmente, se calcula la velocidad y dirección del viento horizontal.

Figura 1. Imagen de referencia para la configuración del anemómetro ultrasónico móvil. Fuente:

Las siguientes secciones describen la teoría y el algoritmo para obtener la velocidad y la dirección reales del viento a partir de un anemómetro ultrasónico instalado en una plataforma móvil, incluyendo definiciones de coordenadas, datos de entrada, pasos de corrección y fórmulas de cálculo.

1. Definiciones de sistemas de coordenadas

1.1 Sistema de Coordenadas Geográficas (NED)

El origen se ubica en el centro de masa de la plataforma. El eje X apunta al norte (N), el eje Y al este (E) y el eje Z hacia abajo (D), considerando la dirección hacia abajo como positiva. Este sistema de coordenadas se utiliza para describir la dirección absoluta del vector viento y la velocidad de la plataforma.

1.2 Sistema de Coordenadas del Cuerpo (FRD)

El origen se ubica en el punto de montaje del anemómetro. El eje X apunta hacia adelante (F, dirección de la plataforma), el eje Y hacia la derecha (R) y el eje Z hacia abajo (D). Este sistema de coordenadas coincide con el sistema de medición del anemómetro ultrasónico.

1.3 Ángulos de actitud

La orientación de la plataforma se representa mediante ángulos de Euler, con la secuencia de rotación definida como guiñada (ψ), cabeceo (θ) y balanceo (φ).

• Ángulo de guiñada ψ: el ángulo en sentido horario desde el norte geográfico hasta la proyección horizontal del eje longitudinal de la plataforma (dirección de la nariz), que varía de 0° a 360°.

• Ángulo de cabeceo θ: el ángulo entre el eje longitudinal de la plataforma y el plano horizontal; la inclinación hacia arriba es positiva.

• Ángulo de balanceo φ: la rotación de la plataforma alrededor de su eje longitudinal; el balanceo hacia la derecha es positivo.

2. Datos de entrada

2.1 Velocidad del anemómetro ultrasónico en el marco de referencia del cuerpo (FRD)

Vmeas = (umeas, vmeas, wmeas)

2.2 Velocidad de la plataforma a partir de GPS/BeiDou en el marco geográfico (NED)

VGPS = (vN, vE, vD), donde vD es positivo hacia abajo.

2.3 Actitud de la plataforma

Guiñada ψ, cabeceo θ y balanceo φ, proporcionados por el sensor de actitud en radianes.

3. Algoritmo para calcular la velocidad y dirección reales del viento.

Paso 1: Expresar la velocidad de la plataforma en el sistema de coordenadas del cuerpo.

Construya la matriz de rotación RN2B que transforma un vector del sistema de coordenadas geográficas (NED) al sistema de coordenadas del cuerpo (FRD):

RN2B = Rx(φ) Ry(θ) Rz(ψ)

Imagen de referencia de la matriz de rotación:

Paso 2: Calcular el vector de viento real en el sistema de coordenadas del cuerpo.

Imagen de referencia para el cálculo del vector de viento real:

Paso 3: Transformar el vector de viento real al sistema de coordenadas geográficas (NED).

Imagen de referencia para la transformación de coordenadas geográficas:

Paso 4: Calcular la velocidad horizontal del viento y la dirección del viento.

Imagen de referencia para el cálculo de la velocidad y dirección del viento horizontal:

4. Consideraciones clave y conclusión

• Compensación de actitud: El método de matriz de rotación incorpora los efectos del cabeceo y el balanceo de la plataforma sobre la velocidad y la dirección del viento, por lo que no se requiere ningún paso de corrección de actitud por separado.

• Consistencia del sistema de coordenadas: Si el GPS emite la velocidad en el marco Este-Norte-Arriba (ENU) como (vE, vN, vU), conviértala a NED de la siguiente manera: vN permanece sin cambios, vE permanece sin cambios y vD = −vU.

• Sincronización horaria: Las mediciones del anemómetro ultrasónico, el receptor GPS/BeiDou y el sensor de actitud deben estar sincronizadas horariamente para minimizar los errores relacionados con el movimiento.

• Brújula electrónica: El ángulo de guiñada ψ debe obtenerse de una brújula electrónica y corregirse según la declinación magnética para que el rumbo se referencie al norte verdadero.

Mediante operaciones vectoriales y transformaciones de coordenadas, el sistema puede obtener directamente el vector y la dirección del viento reales, medidos con un anemómetro ultrasónico en una plataforma móvil. El método es teóricamente riguroso y aplicable a la medición del viento y la compensación de movimiento en vehículos aéreos no tripulados, drones, vehículos y otras plataformas móviles.

5. Perspectiva de aplicación para la detección meteorológica móvil de HONGYUV

Para la observación meteorológica móvil, es fundamental separar el movimiento de la plataforma del campo de viento ambiental. Un anemómetro ultrasónico integrado con posicionamiento GPS/BeiDou y detección de actitud puede formar un subsistema compacto de medición de viento para la observación atmosférica basada en UAV, estaciones meteorológicas móviles montadas en vehículos y otras plataformas dinámicas de monitoreo ambiental.

La cartera de productos de HONGYUV Technology incluye sensores meteorológicos, estaciones meteorológicas móviles, sensores para vehículos aéreos no tripulados (UAV), sensores para el entorno del tráfico, instrumentos industriales y accesorios. El principio de compensación de movimiento descrito en este artículo es especialmente relevante para los sensores de UAV y las estaciones meteorológicas móviles, donde la plataforma de medición se mueve y cambia de orientación continuamente.

En la integración práctica de sistemas, el rendimiento final de la medición del viento depende no solo del elemento sensor ultrasónico, sino también de la alineación del sensor, las convenciones de coordenadas, la precisión del GPS/BeiDou, la estimación de la orientación, la sincronización horaria, la geometría de instalación y el algoritmo de compensación de movimiento. Estos factores deben considerarse conjuntamente al desarrollar equipos de detección meteorológica OEM/ODM.

6. Palabras clave técnicas

Anemómetro ultrasónico; velocidad real del viento; dirección real del viento; compensación de movimiento; corrección del vector de viento; sistema de coordenadas NED; marco de referencia del cuerpo FRD; ángulos de Euler; guiñada; cabeceo; balanceo; GPS; BeiDou; medición del viento con UAV; estación meteorológica móvil; sensores meteorológicos.